DE10137899C1 - Strömungsmaschine - Google Patents

Abstract

Bei einer Strömungsmaschine mit einem gasaustrittsseitig vorgesehenen, durch eine innere und eine äußere Schale (4, 5) begtrenzten, umlaufenden Kanal (6), der als in einen ihn umfassenden Sammelraum (7) hineinragender Diffusor ausgebildet ist, der mit einem umlaufenden Mündungsquerschnitt (8) in den Sammelraum (7) mündet, von dem eine Abströmleitung (9) abgeht, lässt sich dadurch ein guter Wirkungsgrad erreichen, dass die äußere Schale (5) des als Diffusor ausgebildeten Kanals zumindest im von der Abströmleitung (9) abgewandten Umfangsbereich mit einer in den Sammelraum (7) vorspringenden Strömungskulisse (13) versehen ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Strömungsmaschine, insbesondere eine Axialturbine, vorzugsweise für einen Abgasturbolader, mit einem gasaustrittsseitig vorgesehenen, durch eine innere und eine äußere Schale begrenzten, umlaufenden Kanal, der als in einen ihn umfassenden Sammelraum hineinragender Diffusor ausgebildet ist, der mit einem umlaufenden Mündungsquerschnitt in den Sammelraum mündet, von dem eine Abströmleitung abgeht und die äußere Schale des als Diffusor ausgebildeten Kanals zumindest im vom der Abströmleitung abgewandten Umfangsbereich mit einer in den Sammelraum vorspringenden, im Wesentlichen radial verlaufenden Strömungskulisse versehen ist.

Eine derartige Strömungsmaschine ist beispielsweise in der DD 267 079 A1 offenbart. Hier ist beschrieben, daß bisher versucht wurde, Strömungsverluste durch Leitbleche im Diffusoraustritt oder Umlenkbleche im Sammelraum niedrig zu halten. Es wird darauf hingewiesen, daß Blecheinbauten bezüglich ihres Schwingungs- und Festigkeitsverhaltens kritisch zu betrachten sind. Deshalb wurde hier vorgesehen, dass die äussere Schale des als Diffusor ausgebildeten Kanals zumindest im vom der Abströmleitung abgewandten Umfangsbereich mit einer in den Sammelraum vorspringenden, im Wesentlichen radial verlaufenden Strömungskulisse versehen ist. Durch diese Massnahme sind die bisherigen Blecheinbauten ersetzt worden.

Die aus dem Diffusorkanal in den Sammelraum eintretende Strömung wird insbesondere im vom Abströmkanal abgewandten Umfangsbereich an der dem Mündungsquerschnitt gegenüberliegenden Wand des Sammelraums umgelenkt und in eine Rotation um eine zur Kanalachse konzentrische Mittellinie versetzt, so dass sich im Sammelraum eine um die genannte Linie rotierende Wirbelströmung ergibt, die in Richtung Abströmkanal abströmt. Diese Wirbelströmung führt zu einer Behinderung der aus dem Diffusorkanal austretenden Strömung. Dabei kommt es praktisch zu einer Verengung des zur Verfügung stehenden, wirksamen Mündungsquerschnitts und damit zwangsläufig zu einer Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit, was zu einer Druckreduzierung und damit zu einer Beeinträchtigung des mittels des Diffusors angestrebten Druckrückgewinns führt. Dies wirkt sich ungünstig auf den erzielbaren Wirkungsgrad aus.

Beim Gegenstand der DD 267 079 A1 ist eben zur Verbesserung des Wirkungsgrades die oben beschriebene Strömungskulisse vorgesehen. Die Diffusorströmung des Fluids ist jedoch von der Strömung im Sammelbehälter nicht immer wirkungsvoll getrennt, so dass die Wirbel der Strömung im Sammelbehälter das Einströmen der Diffusorströmung in den Sammelbehälter in dem Sinne stören können, dass der Massendurchsatz und der Druckrückgewinn verringert sind.

Hiervon ausgehend ist es daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Strömungsmaschine eingangs erwähnter Art mit einfachen und kostengünstigen Mitteln so zu verbessern, dass ein vergleichsweise verbesserter Wirkungsgrad erreichbar ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Die in den Sammelraum vorspringende, erfindungsgemäße Strömungskulisse fungiert praktisch als Trennwand, die in vorteilhafter Weise eine Trennung der Diffusoreinströmung in den Sammelraum von der im Sammelraum sich entwickelten Wirbelströmung ergibt. Infolge dieser Trennung wird die Wirbelströmung vom Mündungsquerschnitt des Diffusors ferngehalten, so dass eine Behinderung der aus dem Diffusor austretenden Strömung in Form einer Querschnittsverengung etc. unterbleibt. Damit werden auch die bisher hierdurch verursachten Strömungsverluste vermieden. Die erfindungsgemäßen Maßnahmen ermöglichen somit einen hohen Massedurchsatz durch den Sammelraum und einen hohen Druckrückgewinn mittels des Diffusors und damit insgesamt einen günstigen Wirkungsgrad. Mit den erfindungsgemäßen Maßnahmen werden die eingangs geschilderten Nachteile der bekannten Anordnungen vollständig vermieden.

Die Strömungskulisse in radialer Richtung springt weiter in den Sammelraum vor als die mündungsseitige Kante der sie tragenden Außenschale des Diffusorkanals. Die radiale Breite der Strömungskulisse ist so gewählt, dass ihr lichter Abstand von der ihrem Aussenumfang gegenüberliegenden Begrenzung des Sammelraums mindestens der lichten Weite des Mündungsquerschnitts des Diffusors entspricht. Bezüglich der aalen Position der Strömungskulisse ist es günstig, wenn diese im Bereich des mündungsseitigen Drittels der Länge des Diffusorkanals angeordnet ist. Im Rahmen dieser Maßnahmen lässt sich unter Anpassung an die Verhältnisse des Einzelfalls eine gewisse Optimierung erreichen.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und zweckmäßige Fortbildungen der übergeordneten Maßnahmen sind in den Unteransprüchen angegeben. So kann die Strömungskulisse zweckmäßig über 360° umlaufend vorgesehen sein.

Sofern der Strömungskulisse Versteifungsmittel zugeordnet sind, sind diese zweckmäßig im Bereich der der Mündung des Diffusorkanals zugewandten Seite der Strömungskulisse vorgesehen, so dass hierdurch keine Störung der in Richtung Abströmkanal sich bewegenden Wirbelströmung erfolgt.

Eine weitere, besonders zu bevorzugende Maßnahme kann darin bestehen, dass der Diffusor als Axialdiffusor mit mündungsseitiger, radialer Umlenkung ausgebildet ist. Hierdurch wird in vorteilhafter Weise die im Sammelraum sich ausbildende Wirbelströmung so beeinflusst, dass sich ein vergleichsweise kleiner Radius ergibt, was die Wirkung der erfindungsgemäßen Strömungskulisse verstärkt.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und zweckmäßige Fortbildungen der übergeordneten Maßnahmen sind in den restlichen Unteransprüchen angegeben und aus der nachstehenden Beispielsbeschreibung anhand der Zeichnung näher entnehmbar.

Die nachstehend beschriebene Zeichnung enthält einen Schnitt durch die Turbine eine Abgasturboladers mit die Strömung verdeutlichenden Strömungslinien.

Die der Zeichnung zugrundeliegende, einem Abgasturbolader zugeordnete Turbine, die als Axialturbine ausgebildet ist, enthält ein mit einem umfangsseitigen, vom durch Strömungspfeile angedeuteten Abgas durchströmbaren Schaufelkranz 1 versehenes Turbinenrad 2, das auf einer Welle 3 aufgenommen ist, die andererseits mit einem hier nicht dargestellten Verdichterrad verbunden ist, das durch das Turbinenrad angetrieben wird. Auf der Gasaustrittsseite des Schaufelkranzes 1 schließt sich ein bezüglich der Turbinenradachse konzentrisch umlaufender, durch eine umlaufende, radial innere Wand, das heißt eine radial innere Schale 4 und eine umlaufende, radial äußere Wand, das heißt eine äußere Schale 5 begrenzter Ringkanal 6 an, in den das aus dem Schaufelkranz 1 austretende Abgas einströmt. Der Ringkanal 6 ist zur Erzielung einer Verzögerung der Strömungsgeschwindigkeit und damit zur Bewerkstelligung eines Druckrückgewinns als in Strömungsrichtung sich erweiterender Diffusor ausgebildet.

Der Ringkanal ragt in axialer Richtung in einen ihn umfassenden Sammelraum 7 hinein und mündet mit einem umlaufenden Mündungsquerschnitt 8 in radialer Richtung in den Sammelraum 7 ein. Vom Sammelraum 7 geht eine hieran gesetzte Abströmleitung 9 ab. Diese kann als kastenförmiger Strömungskanal ausgebildet sein, an den der Sammelraum 7 querschnittsgleich anschließt, der, wie aus der Zeichnung unten erkennbar ist, im von der Abströmleitung 9 abgewandten Bereich einen etwa halbkreisförmigen Querschnitt aufweist.

Der durch den Ringkanal 6 gebildete Diffusor ist zweckmäßig als Axialdiffusor ausgebildet, der im Anschluss an den Schaufelkranz 1 praktisch axial verläuft und der erst im Bereich der Einmündung in den Sammelraum 7 radial umgelenkt ist. Dies führt, wie die in der Zeichnung angedeuteten Strömungslinien erkennen lassen, zu einer günstigen Umströmung der mündungsquerschnittseitigen Kante 10 der äußeren, den Ringkanal 6 begrenzenden Schale 5.

Der Sammelraum 7 ist im von der Abströmleitung 9 abgewandten, in der Zeichnung unten dargestellten Umfangsbereich durch eine dem Mündungsquerschnitt 8 gegenüberliegende, hier, wie oben bereits angedeutet, einen gebogenen Querschnitt aufweisende Wand 11 begrenzt. Die auf diese Wand 11 auftreffende Strömung wird, wie die in der Zeichnung unten angedeuteten Strömungslinien erkennen lassen, durch die Wand 11 umgelenkt. Auf diese Weise entsteht im Sammelraum 7 ein um einen koaxial zur Achse des Ringkanals 6 verlaufenden Mittelbereich rotierende Wirbelströmung 12, die sich gleichzeitig zum Abströmkanal hin bewegt.

Um sicherzustellen, dass diese Wirbelströmung 12 die Einströmung in den Sammelraum 7 im Bereich des Mündungsquerschnitts 8 des Ringkanals 6 nicht behindert, das heißt die im Bereich des Mündungsquerschnitts 8 zur Verfügung stehende Durchtrittsfläche nicht beschränkt, was zwangsläufig zu einer Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit und damit zu einer Absenkung des Drucks führen müsste, ist auf der Außenseite der äußeren Schale 5 des Ringkanals 6 eine zumindest über den von der Abströmleitung 9 abgewandten Umfangsbereich sich erstreckende, mit zumindest radialer Komponente in den Sammelraum vorspringende Strömungskulisse 13 vorgesehen.

Im dargestellten Beispiel läuft die Strömungskulisse über 360°, das heißt über den ganzen Umfang der Außenschale 5 um und ist radial ausgerichtet. Die radiale Breite der Strömungskulisse 13 ist so gewählt, dass sie die mündungsseitige Kante 10 der äußeren Schale 5 des Ringkanals 6 in radialer Richtung überragt. Gleichzeitig soll die radiale Breite der Strömungskulisse 13 so gewählt sein, dass ihr lichter Abstand von der ihrem Außenumfang gegenüberliegenden, durch die Wand 11 gebildeten Begrenzung des Sammelraums 7 zumindest der lichten Weite des Mündungsquerschnitts 8 des als Diffusor ausgebildeten Ringkanals 6 entspricht. Im dargestellten Beispiel ist der lichte, radiale Abstand von der Wand 11 zweckmäßig etwas größer als die lichte Weite des Mündungsquerschnitts 8.

Die Strömungskulisse 13 trennt, wie aus der Zeichnung unten anschaulich erkennbar ist, die im Sammelraum 7 sich ausbildende Wirbelströmung 12 von der über den Mündungsquerschnitt 8 in den Sammelraum 7 eintretenden Strömung. Die Wirbelströmung 12 wird hierdurch auf den vom Mündungsquerschnitt 8 abgewandten, durch die Strömungskulisse 13 gebildeten Bereich des Sammelraums 7 begrenzt, das heißt der Mündungsquerschnitt 8 wird für eine ungehinderte Einströmung in den Sammelraum 7 freigehalten. Auf diese Weise werden Strömungsverluste und damit eine Beeinträchtigung der Diffusorwirkung des durch den Ringkanal 6 gebildeten Diffusors verhindert, so dass insgesamt ein guter Turbinenwirkungsgrad erreichbar ist.

Um der in den Sammelraum 7 einmündenden Strömung einen möglichst großen Querschnitt zur Verfügung zu stellen, ist die Strömungskulisse 13 gegenüber der mündungsseitigen Kante 10 der zugeordneten Außenschale 5 zum Turbinenrad 2 hin versetzt. Zweckmäßig kann die Strömungskulisse im Bereich des mündungsseitigen Drittels der Länge des Ringkanals 6 positioniert sein.

Die Strömungskulisse 13 kann zweckmäßig als an die zugeordnete Außenschale 5 angeformte Rippe ausgebildet sein. Diese kann zur Vermeidung von Schwingungen etc. durch über den Umfang verteilte. Stege 14 versteift sein. Diese sind zweckmäßig anströmseitig angeordnet, und ragen daher nicht in die Wirbelströmung 12 hinein, was ebenfalls zu Strömungsverlusten führen könnte.

Claims (5)

1. Strömungsmaschine, insbesondere Axialturbine, vorzugsweise für einen Abgasturbolader, mit einem gasaustrittsseitig vorgesehenen, durch eine innere und eine äußere Schale (4, 5) begrenzten, umlaufenden Kanal (6), der als in einen ihn umfassenden Sammelraum (7) hineinragender Diffu­ sor ausgebildet ist, der mit einem umlaufenden Mündungsquerschnitt (8) in den Sammelraum (7) mündet, von dem eine Abströmleitung (9) abgeht und die äußere Schale (5) des als Diffusor ausgebildeten Kanals zumin­ dest im vom der Abströmleitung (9) abgewandten Umfangsbereich mit ei­ ner in den Sammelraum (7) vorspringenden, im Wesentlichen radial ver­ laufenden Strömungskulisse (13) versehen ist, dadurch gekennzeich­ net, dass die Strömungskulisse (13) in radialer Richtung weiter in den Sammelraum (7) vorspringt, als die mündungsseitige Kante (10) der zu­ geordneten Außenschale (5) des als Diffusor ausgebildeten Kanals (6) und die radiale Breite der Strömungskulisse (13) so gewählt ist, dass ihr lichter Abstand von der ihrem Außenumfang gegenüberliegenden Be­ grenzung des Sammelraums (7) mindestens der lichten Weite des Mün­ dungsquerschnitts (8) des Diffusors entspricht, und dass die Strömungs­ kulisse (13) im Bereich des mündungsseitgen Drittels der Länge des als Diffusor ausgebildeten Kanals (6) angeordnet ist.

2. Strömungsmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungskulisse (13) über 360° umläuft.

3. Strömungsmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, dass die Strömungskulisse (13) als an die sie tragende Außenschale (5) des als Diffusor ausgebildeten Kanals (6) angeformte Rippe ausgebil­ det ist.

4. Strömungsmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, dass der Strömungskulisse (13) zugeordnete Versteifungsmittel (14) im Bereich der dem Mündungsquerschnitt des als Diffusor ausgebildeten Kanals (6) zugewandten Seite vorgesehen sind.

5. Strömungsmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der durch den Kanal (6) gebildete Diffusor als Axialdiffusor mit mün­ dungsseitiger, radialer Umlenkung ausgebildet ist.