CH720036A2 - Turbine eines Turboladers und Turbolader - Google Patents

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Abstract

Turbine (10) eines Turboladers, mit einem Turbinengehäuse (11), mit einem im Turbinengehäuse (11) angeordneten Turbinenrotor (12), wobei das Turbinengehäuse (11) ein mit einem Lagergehäuse (14) des Turboladers verbindbares Zuströmgehäuse (15) aufweist, über welches ein zu entspannendes Medium dem Turbinenrotor (12) zuführbar ist, wobei das Turbinengehäuse (11) ein Abströmgehäuse (17) aufweist, über welches entspanntes Medium vom Turbinenrotor (12) abführbar ist, wobei das Turbinengehäuse (11) einen Deckel (18) aufweist, der radial außen zwischen dem Zuströmgehäuse (15) und dem Lagergehäuse (14) klemmbar ist, wobei das Turbinengehäuse (11) ein Einsatzstück (20) aufweist, welches im Bereich des Turbinenrotors (12) stromaufwärts des Abströmgehäuses (17) radial außen einen Strömungskanal für das Medium begrenzt, und wobei das Turbinengehäuse (11) einen beschaufelten Düsenring (19) aufweist, welcher stromaufwärts des Einsatzstücks (20) auf einer dem Deckel (18) gegenüberliegenden Seite einen Strömungskanal für das zu entspannenden Medium begrenzt, wobei Leitschaufeln (22) des Düsenrings (19) gegen den Deckel (18) gedrückt sind.

Description

[0001] Die Erfindung betrifft eine Turbine eines Turboladers und einen Turbolader.
[0002] Ein Turbolader verfügt über eine Turbine zur Entspannung eines ersten Mediums, insbesondere zur Entspannung von Abgas, sowie über einen Verdichter zur Verdichtung eines zweiten Mediums, insbesondere von Ladeluft, unter Nutzung der bei der Entspannung des ersten Mediums in der Turbine gewonnenen Energie. Die Turbine verfügt über ein Turbinengehäuse sowie einen Turbinenrotor. Der Verdichter verfügt über ein Verdichtergehäuse sowie einen Verdichterrotor. Turbinenrotor und Verdichterrotor sind über eine Welle gekoppelt, die in einem Lagergehäuse gelagert ist, wobei das Lagergehäuse einerseits mit dem Turbinengehäuse und andererseits mit dem Verdichtergehäuse verbunden ist. Dieser grundsätzliche Aufbau eines Turboladers ist aus DE 10 2017 106 360 A1 bekannt. Über ein Zuströmgehäuse des Turbinengehäuses kann in der Turbine zu entspannendes Medium in Richtung auf den Turbinenrotor geführt werden. Über das Abströmgehäuse des Turbinengehäuses kann in der Turbine entspanntes Medium vom Turbinenrotor abgeführt werden.
[0003] Im Betrieb kann es infolge hoher Belastungen des Turbinenrotors zu einem Bersten des Turbinenrotors kommen. Hierbei können Bruchstücke oder Fragmente des Turbinenrotors das Turbinengehäuse durchschlagen. Dies stellt ein erhebliches Gefährdungspotential für Bedienpersonal dar. Ferner können Bruchstücke oder Fragmente, die das Turbinengehäuse durchschlagen, in der Umgebung des Turboladers befindliche Einrichtungen beschädigen. Es besteht daher Bedarf an einer Turbine eines Turboladers, bei welchem die Gefahr, dass im Falle eines Berstens des Turbinenrotors Bruchstücke oder Fragmente desselben das Turbinengehäuse durchschlagen, reduziert ist.
[0004] Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine neuartige Turbine eines Turboladers und einen Turbolader mit einer solchen Turbine zu schaffen.
[0005] Diese Aufgabe wird durch eine Turbine eines Turboladers nach Anspruch 1 gelöst. Erfindungsgemäß weist das Turbinengehäuse einen Deckel, ein Einsatzstück und einen beschaufelten Düsenring auf, wobei der Deckel radial außen zwischen dem Zuströmgehäuse und dem Lagergehäuse klemmbar ist, wobei das Einsatzstück im Bereich des Turbinenrotors stromaufwärts des Abströmgehäuses radial außen einen Strömungskanal für das Medium begrenzt, und wobei der beschaufelte Düsenring stromaufwärts des Einsatzstücks auf einer dem Deckel gegenüberliegenden Seite einen Strömungskanal für das zu entspannenden Medium begrenzt, wobei Leitschaufeln des Düsenrings gegen den Deckel gedrückt sind. Durch das Zusammenspiel von Deckel, Einsatzstück und beschaufeltem Düsenring kann die sogenannte Containment-Sicherheit einer Turbine eines Turboladers erhöht werden. Die Gefahr, dass im Falle eines Berstens des Turbinenrotors Bruchstücke oder Fragmente desselben das Turbinengehäuse durchschlagen, kann mit der Erfindung reduziert werden. Hierbei ist insbesondere von Bedeutung, dass der beschaufelte Düsenring gegenüberliegend zum Deckel angeordnet ist und mit seinen Leitschaufeln gegen den Deckel gedrückt ist. Bruchstücke oder Fragmente des Turbinenrotors können so im Falle eines Berstens desselben zwischen dem Deckel und dem Düsenring gefangen werden.
[0006] Vorzugsweise weist eine Basis des Düsenrings eine axiale Breite oder Dicke auf, die dem 0,2-fachen bis 0,7-fachen eines maximalen Außenradius des Turbinenrotors entspricht, und/oder eine radiale Breite oder Dicke, die dem 0,3-fachen bis 0,8-fachen des maximalen Außenradius des Turbinenrotors entspricht. Diese Abmessungen der Basis des Düsenrings sind besonders vorteilhaft, um die Containment-Sicherheit der Turbine zu erhöhen.
[0007] Vorzugsweise entspricht die axiale Höhe der Leitschaufeln des Düsenrings dem 0,1-fachen bis 0,2-fachen des maximalen Außenradius des Turbinenrotors. Diese Abmessung der Leitschaufeln des Düsenrings ist ebenfalls besonders vorteilhaft, um die Containment-Sicherheit der Turbine zu erhöhen, vorzugsweise in Kombination mit den obigen Abmessungen der Basis des Düsenrings.
[0008] Vorzugsweise entspricht eine minimale axiale Breite oder Dicke des Deckels dem 0,15-fachen bis 0,4-fachen des maximalen Außenradius des Turbinenrotors. Auch hierdurch kann die Containment-Sicherheit der Turbine erhöht werden, vorzugsweise in Kombination mit den obigen Abmessungen der Basis des Düsenrings und der Höhe der Leitschaufeln des Düsenrings.
[0009] Vorzugsweise weist das Einsatzstück über seine gesamte Kontur gesehen eine minimale Breite oder Dicke auf, die dem 0,07-fachen bis 0,6-fachen eines maximalen Außenradius des Turbinenrotors entspricht. Auch hiermit kann die Containment-Sicherheit der Turbine weiter erhöht werden, insbesondere in Kombination mit den obigen Abmessungen der Basis und der Leitschaufeln des Düsenrings und der axialen Breite oder Dicke des Deckels.
[0010] Vorzugsweise ist ein radial innerer Abschnitt des Deckels an einer dem Turbinenrotor zugewandten Seite derart konvex gewölbt, dass im Fall eines Berstens des Turbinenrotors Bruchstücke oder Fragmente desselben in Radialrichtung und Axialrichtung auf das Einsatzstück treffen. Hierdurch wird sichergestellt, dass im Falle eines Berstens des Turbinenrotors Bruchstücke oder Fragmente nicht unmittelbar in den Bereich zwischen dem Deckel und den Düsenring gelangen, sondern zunächst auf das Einsatzstück treffen und hier kinetische Energie abgebaut werden kann. Auch hierdurch kann die Containment-Sicherheit der Turbine erhöht werden.
[0011] Der erfindungsgemäße Turbolader ist in Anspruch 10 definiert.
[0012] Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung. Ausführungsbeispiele der Erfindung werden, ohne hierauf beschränkt zu sein, an Hand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt: Fig. 1: einen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Turbine eines Turboladers; und Fig. 2 eine perspektivische Ansicht der Fig. 1.
[0013] Ein Turbolader verfügt über eine Turbine zur Entspannung eines ersten Mediums, insbesondere zur Entspannung von Abgas einer Brennkraftmaschine. Ferner verfügt ein Turbolader über einen Verdichter zur Verdichtung eines zweiten Mediums, insbesondere von Ladeluft, und zwar unter Nutzung von in der Turbine bei der Entspannung des ersten Mediums gewonnener Energie. Die Turbine verfügt über ein Turbinengehäuse und einen Turbinenrotor. Der Verdichter verfügt über ein Verdichtergehäuse und einen Verdichterrotor. Der Verdichterrotor ist mit dem Turbinenrotor über eine Welle gekoppelt, die in einem Lagergehäuse gelagert ist, wobei das Lagergehäuse zwischen dem Turbinengehäuse und dem Verdichtergehäuse positioniert und sowohl mit dem Turbinengehäuse und dem Verdichtergehäuse verbunden ist. Dieser grundsätzliche Aufbau eines Turboladers ist dem hier angesprochenen Fachmann geläufig.
[0014] Die hier vorliegende Erfindung betrifft Details einer Turbine eines Turboladers. Fig. 1 und 2 zeigen jeweils Querschnitte durch eine Turbine 10 eines Turboladers im Bereich eines Turbinengehäuses 11 und eines Turbinenrotors 12, der im Turbinengehäuse 11 angeordnet bzw. aufgenommen ist. Fig. 1 zeigt weiterhin eine Welle 13, über die der Turbinenrotor 12 der Turbine 10 mit einem nicht gezeigten Verdichterrotor eines Verdichters des Turboladers gekoppelt ist. Die Welle 13 ist in einem Lagergehäuse 14 gelagert.
[0015] Das Turbinengehäuse 11 verfügt über ein Zuströmgehäuse 15, welches über eine Schraubverbindung 16 mit dem Lagergehäuse 14 verbunden ist, wobei über das Zuströmgehäuse 15 in der Turbine zu entspannendes Medium dem Turbinenrotor 12 zuführbar ist. Ferner verfügt das Turbinengehäuse 11 über ein Abströmgehäuse 17, über welches in der Turbine 10 entspanntes Medium vom Turbinenrotor 12 abführbar ist.
[0016] Zusätzlich zu dem Zuströmgehäuse 15 und dem Abströmgehäuse 17 verfügt das Turbinengehäuse 11 weiterhin über einen Deckel 18, einen Düsenring 19 sowie über ein Einsatzstück 20.
[0017] Der Deckel 18 verschließt das Turbinengehäuse 11 angrenzend an das Lagergehäuse 14, wobei im montierten Zustand ein radial äußerer Abschnitt 18c des Deckels 18 zwischen dem Zuströmgehäuse 15 und dem Lagergehäuse 14 geklemmt ist.
[0018] Der Deckel 18 begrenzt zusammen mit dem Düsenring 19, welcher dem Deckel 18 gegenüberliegt, einen Strömungskanal 21 für das im Bereich des Turbinenrotors 12 zu entspannende Medium, wobei sich dieser Strömungskanal 21 in Radialrichtung R des Turbinenrotors 12 erstreckt und das zu entspannende Medium, ausgehend vom Zuströmgehäuse 15 in Richtung auf den Turbinenrotor 12 führt.
[0019] Der Düsenring 19 ist ein mit Leitschaufeln 22 beschaufelter Düsenring 19, wobei die Leitschaufeln 22 des Düsenrings 19 gegen den Deckel 18 gedrückt sind. Die Leitschaufeln 22 erstrecken sich in Axialrichtung A des Turbinenrotors 12. Eine Basis 23 des Düsenrings 19, an welcher die Leitschaufeln 22 des Düsenrings 19 einstückig ausgebildet sind, begrenzt zusammen mit dem Deckel 18 auf einer dem Deckel 18 gegenüberliegenden Seite den Strömungskanal 21 für das zu entspannende Medium, über welchen das zu entspannende Medium, ausgehend vom Zuströmgehäuse 15 dem Turbinenrotor 12 zugeführt werden kann.
[0020] Das Einsatzstück 20 ist in Strömungsrichtung S des Mediums gesehen stromabwärts des Düsenrings 19 angeordnet, wobei das Einsatzstück 20 radial außen in Strömungsrichtung S des Mediums gesehen stromaufwärts des Abströmgehäuses 17 und stromabwärts des Düsenrings 19 einen Strömungskanal für das Medium im Bereich des Turbinenrotors 12 begrenzt, der an seinem stromabwärtigen Ende in das Abströmgehäuse 17 und an seinem stromaufwärtigen Ende in den Strömungskanal 21 übergeht. Das Einsatzstück 20 ist an seinem stromabwärtigen Ende mit dem Abströmgehäuse 17 über eine Schraubverbindung 24 verbunden.
[0021] Es liegt demnach im Sinne der Erfindung, dass der radial äußere Abschnitt 18c des Deckels 18 zwischen dem Lagergehäuse 14 und dem Zuströmgehäuse 15 geklemmt ist, und dass der Düsenring 19 gegenüberliegend zum Deckel 18 angeordnet ist und mit seinen Leitschaufeln 22 gegen den Deckel 18 gedrückt ist. Durch diese konstruktive Ausführung der Turbine 10, nämlich des Turbinengehäuses 11 der Turbine 10, kann die Containment-Sicherheit der Turbine 10 erhöht werden. Die Gefahr, dass im Falle eines Berstens des Turbinenrotors 12 Bruchstücke oder Fragmente desselben in die Umgebung gelangen, kann reduziert werden.
[0022] Vorzugsweise ist der Düsenring 19, nämlich dessen Basis 23, derart ausgeführt, dass die Basis 23 des Düsenrings 19 eine axiale Breite X1 aufweist, die dem 0,2-fachen bis 0,7-fachen eines maximalen Außenradius r des Turbinenrotors 12 entspricht. Vorzugsweise ist die Basis 23 des Düsenrings 19 ferner derart ausgebildet, dass eine radiale Breite X2 der Basis 23 des Düsenrings 19 dem 0,3-fachen bis 0,8-fachen des maximalen Außenradius r des Turbinenrotors 12 entspricht. Eine axiale Höhe X3 der Leitschaufeln 22 des Düsenrings 19 und damit die axiale Abmessung des Strömungskanals 21, der zwischen dem Deckel 18 und der Basis 23 des Düsenrings 19 ausgebildet ist, entspricht vorzugsweise dem 0,1-fachen bis 0,2-fachen des maximalen Außenradius r des Turbinenrotors 12.
[0023] Die obigen Abmessungen des Düsenrings 19, nämlich die Abmessungen X1 und X2 der Basis 23 und die Abmessung X3 der Leitschaufeln 22 desselben, sind zur Erhöhung der Containment-Sicherheit besonders bevorzugt.
[0024] Die Containment-Sicherheit der Turbine 10 kann weiter erhöht werden, wenn der Deckel 18 eine minimale Breite X4 aufweist, die dem 0,15-fachen bis 0,4-fachen des maximalen Außenradius r des Turbinenrotors 12 entspricht.
[0025] Die minimale Dicke X5 des Einsatzstücks 20 beträgt über ihre gesamte Kontur gesehen vorzugsweise dem 0,07-fachen bis 0,6-fachen des maximalen Außenradius r des Turbinenrotors 12. Auch hierdurch kann die Containment-Sicherheit erhöht werden.
[0026] Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Deckel 18 zweiteilig ausgebildet, nämlich aus einem radial inneren Deckelteil 18a und einem radial äußeren Deckelteil 18b. Der Abschnitt 18c, mit welchem der Deckel 18 radial außen zwischen dem Lagergehäuse 14 und dem Zuströmgehäuse 15 geklemmt ist, ist am radial äußeren Deckelteil 18b des Deckels 18 ausgebildet.
[0027] Es ist auch möglich, dass der Deckel 18 einteilig ausgebildet ist.
[0028] Ein radial innerer Abschnitt des Deckels 18, im gezeigten Ausführungsbeispiel das radial innere Deckelteil 18a, ist an einer dem Turbinenrotor 12 zugewandten Seite derart konvex konturiert und nach außen in Richtung auf den Turbinenrotor 12 gewölbt, dass im Fall eines Berstens des Turbinenrotors 12 Bruchstücke oder Fragmente desselben in Radialrichtung und in Axialrichtung auf das Einsatzstück 20 treffen, um so im Bereich des Einsatzstücks 20 kinetische Energie abzubauen, bevor die Bruchstücke in den Strömungskanal 21 gelangen können.
[0029] Die erfindungsgemäße Turbine 10 verfügt über eine hohe Containment-Sicherheit. Die Gefahr, dass im Falle eines Berstens des Turbinenrotors 12 Bruchstücke desselben in die Umgebung gelangen, ist reduziert.
Bezugszeichenliste
[0030] 10 Turbine 11 Turbinengehäuse 12 Turbinenrotor 13 Welle 14 Lagergehäuse 15 Zuströmgehäuse 16 Schraubverbindung 17 Abströmgehäuse 18 Deckel 18a Deckelteil 18b Deckelteil 18c Abschnitt 19 Düsenring 20 Einsatzstück 21 Strömungskanal 22 Leitschaufel 23 Basis 24 Schraubverbindung A Axialrichtung R Radialrichtung S Strömungsrichtung X1 Breite/Dicke X2 Breite/Dicke X3 Höhe X4 Breite/Dicke X5 Breite/Dicke r Außenradius

Claims (10)

1. Turbine (10) eines Turboladers, mit einem Turbinengehäuse (11), mit einem im Turbinengehäuse (11) angeordneten Turbinenrotor (12), wobei das Turbinengehäuse (11) ein mit einem Lagergehäuse (14) des Turboladers verbindbares Zuströmgehäuse (15) aufweist, über welches ein zu entspannendes Medium dem Turbinenrotor (12) zuführbar ist, wobei das Turbinengehäuse (11) ein Abströmgehäuse (17) aufweist, über welches entspanntes Medium vom Turbinenrotor (12) abführbar ist, dadurch gekennzeichnet,dass das Turbinengehäuse (11) einen Deckel (18) aufweist, der radial außen zwischen dem Zuströmgehäuse (15) und dem Lagergehäuse (14) klemmbar ist, das Turbinengehäuse (11) ein Einsatzstück (20) aufweist, welches im Bereich des Turbinenrotors (12) stromaufwärts des Abströmgehäuses (17) radial außen einen Strömungskanal für das Medium begrenzt, das Turbinengehäuse (11) einen beschaufelten Düsenring (19) aufweist, welcher stromaufwärts des Einsatzstücks (20) auf einer dem Deckel (18) gegenüberliegenden Seite einen Strömungskanal für das zu entspannenden Medium begrenzt, wobei Leitschaufeln (22) des Düsenrings (19) gegen den Deckel (18) gedrückt sind.
2. Turbine nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet,dasseine Basis (23) des Düsenrings (19) eine axiale Breite oder Dicke (X1) aufweist, die dem 0,2-fachen bis 0,7-fachen eines maximalen Außenradius (r) des Turbinenrotors (12) entspricht.
3. Turbine nach Anspruch 1 oder 2,dadurch gekennzeichnet,dasseine Basis (23) des Düsenrings (19) eine radiale Breite oder Dicke (X2) aufweist, die dem 0,3-fachen bis 0,8-fachen eines maximalen Außenradius (r) des Turbinenrotors (12) entspricht.
4. Turbine nach einem der Ansprüche 1 bis 3,dadurch gekennzeichnet,dassdie axiale Höhe (X3) der Leitschaufeln (22) des Düsenrings (19) dem 0,1-fachen bis 0,2-fachen eines maximalen Außenradius (r) des Turbinenrotors (12) entspricht
5. Turbine nach einem der Ansprüche 1 bis 4,dadurch gekennzeichnet,dassder Deckel (18) eine minimale axiale Breite oder Dicke (X4) aufweist, die dem 0,15-fachen bis 0,4-fachen eines maximalen Außenradius (r) des Turbinenrotors (12) entspricht
6. Turbine nach einem der Ansprüche 1 bis 4,dadurch gekennzeichnet,dassder Deckel (18) einteilig ausgebildet ist.
7. Turbine nach einem der Ansprüche 1 bis 4,dadurch gekennzeichnet,dassder Deckel (18) mehrteilig ausgebildet ist.
8. Turbine nach einem der Ansprüche 1 bis 7,dadurch gekennzeichnet,dassein radial innerer Abschnitt (18b) des Deckels (18) an einer dem Turbinenrotor (12) zugewandten Seite derart konvex gewölbt ist, dass im Fall eines Berstens des Turbinenrotors (12) Bruchstücke oder Fragmente desselben in Radialrichtung und Axialrichtung auf das Einsatzstück (20) treffen.
9. Turbine nach einem der Ansprüche 1 bis 8,dadurch gekennzeichnet,dassdas Einsatzstück (20) über seine gesamte Kontur gesehen eine minimale Breite oder Dicke (X5) aufweist, die dem 0,07-fachen bis 0,6-fachen eines maximalen Außenradius (r) des Turbinenrotors (12) entspricht.
10. Turbolader, mit einer Turbine (10) zur Entspannung eines ersten Mediums, mit einem Verdichter zur Verdichtung eines zweiten Mediums unter Nutzung von in der Turbine (10) bei der Entspannung des ersten Mediums gewonnener Energie, mit einem Lagergehäuse (14), welches zwischen der Turbine (10) und dem Verdichter angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet,dass die Turbine (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 ausgebildet ist.
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