DE10050931C5 - Turbomaschine mit radial durchströmten Laufrad - Google Patents

Turbomaschine mit radial durchströmten Laufrad Download PDF

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Abstract

Strömungsmaschine mit radial durchströmten Laufrad (3) das in einem Spiralgehäuse (8) aus mehreren Wandteilen (7, 11) mit einem schneckenförmigen Strömungskanal (9) angeordnet ist und eine auf einer antreibbaren, in einem Lagergehaüse (1) gelagerten Welle (2) aufgenommene Nabe (4) aufweist, wobei die Aussenkontur der Nabe (4) und die gegenüberliegenden inneren Wandteile (7) des Spiralgehäuses (8) einen von der axialen in die radiale Richtung umgelenkten Strömungskanal (9) ausbilden und das Spiralgehäuse (8) am Lagergehäuse (1) fixiert ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Aussenkontur (6) der Nabe (4) des Laufrades (3) gegenüberliegende innere Wandteile (7) des Spiralgehäuses (8) so ausgeführt sind, dass sie durch axiale Verschiebung (a), deren Dimensionierung durch rechnerische Ermittlung der Bruchenergie des Laufrads (3) bedingt ist, und Verformung die gesamte maximale kinetische Energie des berstenden Laufrades (3) innerhalb des Spiralgehäuses (8) aufnehmen können, wobei die inneren Wandteile (7) mit äusseren Wandteilen (11) des Spiralgehäuses (8) über Sollbruchstellen (15) verbunden sind, und...

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Strömungsmaschine mit radial durchströmtem Laufrad, das von einem Spiralgehäuse mit einem schneckenförmigen Strömungskanal aufgenommen ist und eine auf einer antreibbaren Welle aufgenommene Nabe aufweist, von dieser umfangsseitig Schaufeln abstehen, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
  • Der grundsätzliche Aufbau und die Wirkungsweise derartiger Strömungsmaschinen, wie z. B. ein Radialverdichter eines Turboladers oder eine Radialturbine eines Radialturboladers, sind an sich bekannt und bedürfen daher im vorliegenden Zusammenhang keiner näheren Erläuterungen mehr. So ist beispielsweise in der DE 195 02 808 C2 eine gattungsbildende Strömungsmaschine in Form eines Radialverdichters eines Turboladers beschrieben, innerhalb dessen Spiralgehäuse der Durchmesser der Nabe und der Schaufeln in Strömungsrichtung zunimmt und die Aussenkontur der Schaufeln bogenförmig ist und der Kontur der benachbarten, torusförmig nach aussen gekrümmten Kanalwand des schneckenförmigen Strömungskanals entspricht, wobei die Kanalwand des Spiralgehäuses mit der Nabe einen nach aussen umgelenkten Kanalabschnitt begrenzen, in diesen die Schaufeln eingreifen. An diesen nach aussen radial umgelenkten Kanalabschnitt schliesst sich ein in einen Spiralkanal einmündender ringförmiger Kanalabschnitt an.
  • Nach langem Betrieb unter ungünstigen Bedingungen kann ein Laufrad durch Korrosion und Alterung so stark geschwächt werden, dass Bersten nicht ausgeschlossen werden kann. Beim Bersten des Laufrads können dann sogar Bruchstücke aus dem Spiralgehäuse austreten, was unbedingt vermieden und die Sicherheit vor solchen Bruchstücken auch heutzutage nachgewiesen werden muss. Zu diesem Zwecke ist es heute üblich, ausserhalb des das Laufrad aufnehmenden Spiralgehäuses einen zusätzlichen Berstschutz vorzusehen.
  • Aus der DE 196 40 654 ist bereits ein Berstschutz für ein Spiralgehäuse einer Radialturbine von Turboladern bekannt geworden, der aus einem ersten internen Berstschutzring, der radial zwischen dem Gaseintritts- und dem Gasaustrittsgehäuse angeordnet ist, und einer zweiten externen Berstschutzhülle, die das Gaseintrittsgehäuse umfasst, besteht. Dennoch können dabei kleinere Bruchstücke, die die Wand des Gaseintrittsgehäuses durchschlagen, austreten und müssen von der Berstschutzhülle aufgefangen werden.
  • Hiervon ausgehend ist es daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Strömungsmaschine eingangs erwähnter Art mit einfachen und kostengünstigen Mitteln so weiterzubilden, dass eine Sicherheit gegen das Austreten von Bruchstücken eines geborstenen Laufrads aus dem Spiralgehäuse gewährleistet werden kann, ohne einen zusätzlichen Berstschutz ausserhalb des Spiralgehäuses vorsehen zu müssen.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
  • Dadurch, dass der Aussenkontur der Nabe des Laufrades gegenüberliegende innere Wandteile des Spiralgehäuses so ausgeführt sind, dass sie durch axiale Verschiebung, deren Dimensionierung durch rechnerische Ermittlung der Bruchenergie des Laufrads bedingt ist, und Verformung die gesamte maximale kinetische Energie des berstenden Laufrades innerhalb des Spiralgehäuses aufnehmen können, ist ein Spiralgehäuse mit einer "Knautschzone" ausgebildet worden, aus diesem kein Bruchstück eines geborstenen Laufrades mehr austreten kann, wobei die inneren Wandteile mit äusseren Wandteilen des Spiralgehäuses über Sollbruchstellen verbunden sind, und die Sollbruchstellen so dimensioniert sind, dass sie bei Energieaufnahme versagen, bevor die Fixierung des Spiralgehäuses am Lagergehäuse versagt.
  • Ein zusätzlicher Berstschutz ausserhalb des Spiralgehäuses kann entfallen.
  • Dadurch, dass die voran genannten, in bevorzugter Weise inneren Wandteile mit den äusseren Wandteilen des Spiralgehäuses über Sollbruchstellen verbunden sind, wobei die Sollbruchstellen so dimensioniert sind, dass sie bei Energieaufnahme versagen, bevor die Fixierung des Spiralgehäuses am Lagergehäuse versagt und/oder dass die inneren Wandteile mit den äusseren Wandteilen des Spiralgehäuses mittels weicher, stark verformbarer Schrauben verbunden sind, wird verhindert, dass sich das intakte Spiralgehäuse aufgrund der von der Bruchenergie abgeleiteten Kräfte vom Lagergehäuse lösen kann und eventuell Bruchstücke durch den zwischen Spiral- und Lagergehäuse entstandenen Spalt austreten können.
  • In besonders vorteilhafter Weise kann dadurch, dass die Dimensionierung der axialen Verschiebung der inneren Wandteile innerhalb des Spiralgehäuses durch die rechnerische Ermittlung der Bruchenergie bedingt ist, über die Beziehung, dass die Bruchenergie der inneren Wandteile grösser oder gleich der aufzunehmenden maximalen kinetischen Energie des Laufrades multipliziert mit einem vorgebbaren Sicherheitsfaktor anzusetzen ist, die Sicherheit der Strömungsmaschine beim Bersten des Laufrades rechnerisch nachgewiesen werden, so dass aufwendige Berstversuche mit Zerstörung kompletter Strömungsmaschinen nicht mehr erforderlich sind.
  • Die Erfindung soll nachfolgend aus einer Beispielsbeschreibung anhand der Zeichnung näher erläutert werden.
  • Die nachstehend beschriebene Zeichnung zeigt einen Teillängsschnitt durch eine erfindungsgemässe Strömungsmaschine in Form eines Radialverdichters.
  • Der Abgasturbolader der in der Zeichnung zugrundeliegenden Art besitzt eine in ihrem mittleren Längsbereich in einem Lagergehäuse 1 gelagerte Welle 2, die an ihren über die Lagerung auskragenden Enden ein hier nicht näher dargestelltes Turbinenlaufrad und ein in der Zeichnung schematisch dargestelltes radial durchströmtes Laufrad 3 eines Radialverdichters trägt.
  • Das dargestellte Laufrad 3 besitzt eine auf der durch das Turbinenlaufrad angetriebene Welle 2 drehschlüssig aufgenommene Nabe 4, die umfangsseitig mit radial abstehenden Schaufeln 5 besetzt ist. Die Aussenkontur 6 der Nabe 4 begrenzt mit dem gegenüberliegenden inneren Wandteil 7 eines Spiralgehäuses 8 einen von der axialen Richtung in die radiale Richtung umgelenkten, nach aussen sich verengenden Strömungskanal 9, dessen Querschnitt der Konfiguration der Schaufeln 5 entspricht. Der Durchmesser der Nabe 4 und der Schaufeln 5 nimmt vom Strömungseingang zum Strömungsausgang zu, so dass sich ein zur Mittelquerebene des Laufrads 3 unsymmetrischer Längsquerschnitt und dementsprechend auch eine über der Länge des Laufrads 3 zunehmende Masseverteilung ergeben.
  • An den nach radial aussen umgelenkten, von den inneren Wandteilen 7 des Spiralgehäuses 8 begrenzten Strömungskanal 9 schliesst sich ein in einen Spiralkanal 10 einmündender, von äusseren Wandteilen 1 des Spiralgehäuses 8 begrenzter, ringförmiger Kanalabschnitt 12 an, der mit einem stationären Leitrad versehen ist, dessen Leitschaufeln 13 an den äusseren Wandteilen 1 des Spiralgehäuses 8 befestigt sind.
  • Das innere Wandteil 7 ist hier einerseits mittels einer weichen, stark verformbaren Schraube 14 und andererseits mittels einer Sollbruchstelle 15 mit dem äusseren Wandteil 11, das den Spiralkanal und den Kanalabschnitt 12 mit den Leitschaufeln 13 begrenzt, verbunden.
  • Das Spiralgehäuse 8 selbst ist mittels einer festen Verbindung 16 am Lagergehäuse 1 fixiert.
  • Das Spiralgehäuse 8, bzw. die verformbaren 5 Schrauben 14, die Sollbruchstellen 15 und die feste Verbindung 16, die bevorzugte Varianten einer Ausbildung der Verschiebbarkeit innerer Wandteile bezüglich äusserer Wandteile eines Spiralgehäuses darstellen, sind also zusammenfassend nach folgenden Gesichtpunkten auszuführen:
    Die das Laufrad 3 umgebenden inneren Wandteile 7, bzw. ihre axiale Verschiebbarkeit, sind derart dimensioniert, dass die Energiemenge, die sie als "Knautschzone", also bis zum Bruch, aufnehmen können, die maximale kinetische Energie, also die kinetische Energie des Laufrades 3 bei maximaler Drehzahl, um einen Sicherheitsfaktor, vorzugsweise grösser oder gleich dem 1,2 fachen, übersteigt.
  • Dazu sind die inneren Wandteile 7 an den äusseren Wandteilen 11 derart befestigt, dass sie sich unter dem Einfluss einer axialen Kraft F, die von den Laufradbruchstücken ausgeübt wird, axial unter Aufnahme der kinetischen Energie des Laufrades in Richtung a verschieben können.
  • Dabei errechnet sich eine spezielle Bruchenergie mit
    Figure 00030001
    mit σ = Spannung und ε = Dehnung, aus den Werkstoffdaten
  • Sowie die maximale kinetische Energie des Laufrades mit Ekin = Ip·(ω2/2), mit Ip = Massenträgheitsmoment des Laufrades bezogen auf die Drehachse,
    und ω = maximale Winkelgeschwindigkeit des Laufrades, so dass man für die Bruchenergie erhält:
    EB ≥ Sicherheitsfaktor·Ekin (mit einem Sicherheitsfaktor ≥ 1,2) und
    EB = Volumen·Ebsp.
    • 1
    Lagergehäuse
    2
    Welle
    3
    Laufrad
    4
    Nabe
    5
    Schaufeln des Laufrades
    6
    Aussenkontur der Nabe
    7
    Inneres Wandteil
    8
    Spiralgehäuse
    9
    Strömungskanal
    10
    Spiralkanal
    11
    Äusseres Wandteil
    12
    Kanalabschnitt
    13
    Leitschaufeln
    14
    Verformbare Schraube
    15
    Sollbruchstelle
    16
    Feste Verbindung
    F
    Kraft
    a
    Verschieberichtung

Claims (4)

  1. Strömungsmaschine mit radial durchströmten Laufrad (3) das in einem Spiralgehäuse (8) aus mehreren Wandteilen (7, 11) mit einem schneckenförmigen Strömungskanal (9) angeordnet ist und eine auf einer antreibbaren, in einem Lagergehaüse (1) gelagerten Welle (2) aufgenommene Nabe (4) aufweist, wobei die Aussenkontur der Nabe (4) und die gegenüberliegenden inneren Wandteile (7) des Spiralgehäuses (8) einen von der axialen in die radiale Richtung umgelenkten Strömungskanal (9) ausbilden und das Spiralgehäuse (8) am Lagergehäuse (1) fixiert ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Aussenkontur (6) der Nabe (4) des Laufrades (3) gegenüberliegende innere Wandteile (7) des Spiralgehäuses (8) so ausgeführt sind, dass sie durch axiale Verschiebung (a), deren Dimensionierung durch rechnerische Ermittlung der Bruchenergie des Laufrads (3) bedingt ist, und Verformung die gesamte maximale kinetische Energie des berstenden Laufrades (3) innerhalb des Spiralgehäuses (8) aufnehmen können, wobei die inneren Wandteile (7) mit äusseren Wandteilen (11) des Spiralgehäuses (8) über Sollbruchstellen (15) verbunden sind, und die Sollbruchstellen (15) so dimensioniert sind, dass sie bei Energieaufnahme versagen, bevor die Fixierung (16) des Spiralgehäuses (8) am Lagergehäuse (1) versagt. Das Merkmal "und Verformung" stellt eine unzulässige Erweiterung dar, aus der Rechte nicht hergeleitet werden können.
  2. Strömungsmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die der Aussenkontur (6) der Nabe (4) des Laufrades (3) gegenüberliegende Wandteile des Spiralgehäuses (8) in Form von inneren Wandteilen (7) mit äusseren Wandteilen (11) des Spiralgehäuses (8) mittels weicher, stark verformbarer Schrauben (14) verbunden sind.
  3. Strömungsmaschine nach Ansprüch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dimensionierung der axialen Verschiebung von Wandteilen (7) innerhalb des Spiralgehäuses (8) durch die rechnerische Ermittlung der Bruchenergie bedingt ist, über die Beziehung, dass die Bruchenergie der Wandteile (7) grösser oder gleich der aufzunehmenden maximalen kinetischen Energie des Laufrades (3) multipliziert mit einem vorgebbaren Sicherheitsfaktor anzusetzen ist.
  4. Strömungsmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der vorgebbare Sicherheitsfaktor grösser oder gleich dem Zahlenwert 1,2 ist.
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