DE102004027594B4

DE102004027594B4 - Strömungsmaschine mit radial durchströmtem Verdichterrad

Info

Publication number: DE102004027594B4
Application number: DE102004027594A
Authority: DE
Inventors: Walter Augustin; Thomas Winter
Original assignee: MAN B&W Diesel GmbH
Current assignee: MAN Energy Solutions SE
Priority date: 2004-06-05
Filing date: 2004-06-05
Publication date: 2006-06-29
Anticipated expiration: 2024-06-06
Also published as: GB2414769B; GB0511257D0; GB2414769A; JP2005344713A; CN1707123B; CN1707123A; KR20060046301A; DE102004027594A1; FR2871201A1; FR2871201B1; CH698256B1

Abstract

Strömungsmaschine mit radial durchströmten Verdichterrad (3), das auf einer in einem Lagergehäuse (1) gelagerten Welle (2) aufgenommen und in einem Verdichtergehäuse (8) mit einem schneckenförmigen Strömungskanal (9) angeordnet ist, wobei eine Außenkontur (6) einer Nabe (4) des Verdichterrads (3) und eine Innenkontur (7) des Verdichtergehäuses (8) den von einer axialen Richtung in eine radiale Richtung umgelenkten Strömungskanal (9) ausbilden, wobei das Verdichtergehäuse (8) aus einem äußeren Spiralgehäuse (10) und einem inneren Gehäuseeinsatzstück (12) gebildet ist, wobei das äußere Spiralgehäuse (10) einen in die radiale Richtung nach außen umgelenkten Kanalabschnitt (11) des Strömungskanals (9) umfasst und mittels einer ersten Fixierung (18) am Lagergehäuse (1) festgelegt ist, und wobei das innere Gehäuseeinsatzstück (12), nämlich dessen Innenkontur (13), mit der Außenkontur (6) der Nabe (4) des Verdichterrads (3) einen im wesentlichen in axialer Richtung verlaufenden Kanalabschnitt (14) des Strömungskanals (9) ausbildet, zwischen dem Spiralgehäuse (10) und dem Verdichterrad (3) angeordnet und mittels einer...

Description

Die Erfindung betrifft eine Strömungsmaschine mit radial durchströmtem Verdichterrad gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Der grundsätzliche Aufbau und die Wirkungsweise derartiger Strömungsmaschinen, wie zum Beispiel ein Radialverdichter eines Turboladers, sind an sich bekannt und bedürfen daher im vorliegenden Zusammenhang keiner näheren Erläuterung mehr. So offenbart die EP 1 233 190 A1 eine Strömungsmaschine mit radial durchströmtem Verdichterrad, die sämtliche Merkmale des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1 aufweist.

Nach langem Betrieb unter ungünstigen Betriebsbedingungen kann das Verdichterrad einer solchen Strömungsmaschine durch Korrosion, Erosion und Alterung so stark geschwächt werden, dass ein Bersten des Verdichterrads nicht ausgeschlossen werden kann. Im Falle eines Verdichterradbruchs, bei welchem das Rad mindestens in zwei oder drei große Teilstücke zerbricht, werden diese Einzelteile durch erhebliche Zentrifugalkräfte nach außen geschleudert. In diesem Fall können Bruchstücke aus dem Verdichtergehäuse austreten. Dabei werden die Verdichterradschaufeln völlig zerstört und der verbleibende Nabenkörper verklemmt sich zwischen dem Lagergehäuse und dem Verdichtergehäuse. Durch die Formgebung der Naben entsteht dabei eine Keilwirkung, die erhebliche impulsartige Axialkräfte auf die Gehäuse ausübt.

Kleine Strömungsmaschinen können durch die relativ großen Wandstärken und die steifen Gehäuseteile die obigen Belastungen bzw. Kräfte sicher aufnehmen. Bei großen Strömungsmaschinen werden hingegen die Gehäusewandstärken meist aus gießtechnischen Gründen verringert, wodurch bei einer derartigen Beanspruchung die Bruchgrenze des Werkstoffs bzw. Materials schnell erreicht wird und es zu Gehäusebrüchen kommen kann. Dabei können Bruchstücke bzw. Teilstücke des Verdichterrads aus der Strömungsmaschine austreten, was erhebliche Folgeschäden verursachen kann. Durch das Austreten von Bruchstücken bzw. Teilstücken des Verdichterrads wird die sogenannte Containment Sicherheit der gesamten Strömungsmaschine beeinträchtigt. Dies muss vermieden werden.

Zur Gewährleistung der Containment Sicherheit von Strömungsmaschinen unter Verzicht auf einen zusätzlichen Berstschutz außerhalb des Spiralgehäuses schlägt die EP 1 233 190 A1 vor, das Verdichtergehäuse zweiteilig aus einem äußeren Spiralgehäuse und einem inneren Gehäuseeinsatzstück auszubilden, wobei das innere Gehäuseeinsatzstück am äußeren Spiralgehäuse über eine flexible Fixierung angebaut ist. Diese flexible Fixierung, die der Befestigung des Gehäuseeinsatzstücks am Spiralgehäuse dient, ist weniger bruchsicher ausgebildet als eine starre Fixierung des Verdichtergehäuses, nämlich des äußeren Spiralgehäuses, am Lagergehäuse der Strömungsmaschine. Hierdurch wird durch den Stand der Technik gemäß EP 1 233 190 A1 ein Spiralgehäuse mit einer "Knautschzone" bereitgestellt, mit welcher bereits ein Austreten eines Bruchstücks bzw. Teilstücks eines geborstenen Laufrads sicher vermieden werden kann. Die kinetische Energie von Bruchstücken eines berstenden Verdichterrads kann innerhalb der Strömungsmaschine vollständig in Verformungsenergie und Wärme umgewandelt werden.

Bei der Strömungsmaschine gemäß EP 1 233 190 A1 besteht die Gefahr, dass die flexible Fixierung des inneren Gehäuseeinsatzstücks am äußeren Spiralgehäuse während der Energieabsorption versagen kann, und hierdurch das innere Gehäuseeinsatzstück in axialer Richtung beschleunigt wird. In axialer Richtung vor dem Gehäuseeinsatzstück angeordnete Komponenten, so zum Beispiel ein Schalldämpfer, können unter diesen Umständen zerstört werden. Auch ist dann ein Austreten von Bruchstücken bzw. Teilstücken des Verdichterrads möglich und die Containment Sicherheit der Strömungsmaschine nicht mehr gewährleistet.

Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung das Problem zugrunde, eine neuartige Strömungsmaschine mit radial durchströmtem Verdichterrad zu schaffen, die eine erhöhte Containment Sicherheit aufweist.

Dieses Problem wird durch eine Strömungsmaschine mit radial durchströmtem Verdichterrad gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Erfindungsgemäß ist zumindest das äußere Spiralgehäuse und/oder das innere Gehäuseeinsatzstück aus einem Werkstoff gebildet, dessen Bruchdehnung mindestens 5% beträgt.

Im Sinne der hier vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen, die statorseitigen bzw. feststehenden bzw. nicht-rotierenden Baugruppen der Strömungsmaschine, nämlich zumindest das äußere Spiralgehäuse und/oder das innere Gehäuseeinsatzstück, aus einem Werkstoff herzustellen, dessen Bruchdehnung mindestens 5% beträgt. Bei der Bruchdehnung handelt es sich um eine in einem Zugversuch ermittelbare Festigkeitskenngröße von Werkstoffen. Die Bruchdehnung wird in Prozent ausgedrückt und ist die auf die Anfangsmesslänge bezogene, bleibende Längenänderung nach dem Bruch einer Werkstoffprobe.

Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die zweite Fixierung, die der Befestigung des Gehäuseeinsatzstücks am Spiralgehäuse dient, derart ausgebildet, dass die zweite Fixierung mindestens 0,2% der maximalen kinetischen Energie des Verdichterrads und mindestens 1,0 % der durch das Gehäuseeinsatzstück aufgenommenen Verformungsenergie absorbieren kann. Hierzu kann die zweite Fixierung aus mindestens einer Dehnschraube mit einer Bruchdehnung von mindestens 10% gebildet sein. Alternativ oder zusätzlich ist es möglich jeder Dehnschraube eine Dehnhülse zur Erhöhung der Energieabsorption zuzuordnen.

Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung. Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird, ohne hierauf beschränkt zu sein, an Hand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt:
1: einen Ausschnitt aus einer Strömungsmaschine mit radial durchströmtem Verdichterrad.
Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf 1 in größerem Detail beschrieben.
1 zeigt einen Teillängsschnitt durch eine erfindungsgemäße Strömungsmaschine in Form eines Radialverdichters mit einer in ihrem mittleren Längsbereich in einem Lagergehäuse 1 gelagerten Welle 2, die an ihren über die Lagerung herausragenden Enden ein hier nicht-dargestelltes Turbinenrad und ein in der 1 schematisiert dargestelltes, radial durchströmtes Verdichterrad 3 trägt.
Das dargestellte Verdichterrad 3 besitzt eine auf der durch das Turbinenrad angetriebenen Welle 2 drehschlüssige aufgenommene Nabe 4, die umfangsseitig mit radial abstehenden Schaufeln 5 besetzt ist. Eine Außenkontur 6 der Nabe 4 begrenzt mit einer Innenkontur 7 eines Verdichtergehäuses 8 einen von der axialen Richtung A in die radiale Richtung B umgelenkten, nach außen sich verengenden Strömungskanal 9, dessen Querschnitt der Konfiguration der Schaufeln 5 entspricht. Das Verdichtergehäuse 8 ist mittels einer ersten, starren Fixierung 18 am Lagergehäuse 1 befestigt. Der Durchmesser der Nabe 4 und der Schaufeln 5 nimmt vom Strömungseingang zum Strömungsausgang zu, sodass sich ein zur Mittelquerebene des Verdichterrads 3 unsymmetrischer Längsquerschnitt und dementsprechend auch eine über die Länge des Verdichterrads 3 zunehmende Masseverteilung ergibt.
Das Verdichtergehäuse 8 ist aus einem äußeren, am Lagergehäuse 1 mittels der starren Fixierung 18 festgemachten Spiralgehäuse 10 und einem inneren Gehäuseeinsatzstück 12 gebildet. Das Spiralgehäuse 10 umfasst einen in die radiale Richtung B nach außen umgelenkten Kanalabschnitt 11 des Strömungskanals 9.
Das innere Gehäuseeinsatzstück 12 ist in radialer Richtung B zwischen dem äußeren Spiralgehäuse 10 und dem Verdichterrad 3 positioniert. Eine Innenkontur 13 des Gehäuseeinsatzstücks 12 bildet zusammen mit der Außenkontur 6 der Nabe 4 des Verdichterrads 3 einen im Wesentlichen in axialer Richtung A verlaufenden Kanalabschnitt 14 des Strömungskanals 9.
Das Verdichtergehäuse 8 ist über das äußere Spiralgehäuse 10 derart unter Ausbildung einer Trennfuge 22 am Lagergehäuse 1 angesetzt, dass das äußere, den umgelenkten Kanalabschnitt 11 umfassende Spiralgehäuse 10 an der starren Fixierung 18 des Verdichtergehäuses 8 am Lagergehäuse 1 vorbei in radialer Richtung B nach innen gezogen ist, sodass die starre Fixierung 18 in radialer Richtung B weiter außenliegend als die Trennfuge 22 zwischen Spiralgehäuse 10 und Lagergehäuse 1 angeordnet ist. Diese Ausgestaltung bzw. Anordnung der Trennfuge 22 stellt sicher, dass die starre Fixierung 18 des Verdichtergehäuses 8 am Lagergehäuse 1 von eventuell sich im Strömungskanal 9 verkeilenden Bruchstücken kaum belastet wird, wodurch ein Wegbrechen des Verdichtergehäuses 8 verhindert werden kann. Der Abstand zwischen der Trennfuge 22 und der Welle 2 ist dabei vorzugsweise kleiner als der Abstand eines Flächenmittelpunkts 23 der größten Querschnittsfläche 24 durch den umgelenkten Kanalabschnitt 11 im Spiralgehäuse 10 zur Welle 2.
Das Spiralgehäuse 10 ist mit einem das innere Gehäuseeinsatzstück 12 zumindest teilweise umgebenden Innenzylinder 15 ausgeführt, an welchem das Gehäuseeinsatzstück 12 zur Ausbildung eines Hohlraums 16 mittels einer zweiten Fixierung 17 angebaut ist. Die Fixierung 17 ist in axialer Richtung A flexibel und deutlich weniger bruchsicher ausgeführt als die Fixierung 18 des Spiralgehäuses 10 am Lagergehäuse 1. Die starre Fixierung 18 des Verdichtergehäuses 8 bzw. des Spiralgehäuses 10 am Lagergehäuse 1 ist mittels einer festen Flanschverbindung des Spiralgehäuses 10 am Lagergehäuse 1 ausgeführt. Die flexible Fixierung 17 des inneren Gehäuseeinsatzstücks 12 am äußeren Spiralgehäuse 10 ist mittels einer Dehnschraubenfixierung in axialer Richtung A durch den Innenzylinder 15 des Spiralgehäuses 10 ausgeführt.
Eine mit der starren Fixierung 18 zusammenwirkende Wand 19 des Lagergehäuses 1 ist in radialer Richtung B bis über eine äußere Spitze 20 der Außenkontur 6 der Nabe 4 des Verdichterrads 3 unter Ausbildung eines Spalts 21 heruntergezogen angeordnet. Das Spiralgehäuse 10 ist mit nach innen in Richtung des Verdichterrads 3 immer kleiner werdendem Durchmesser des Strömungskanals 9 ausgeführt.
Zur Verbesserung der Containment Sicherheit der oben beschriebenen Strömungsmaschine wird im Sinne der hier vorliegenden Erfindung vorgeschlagen, zumindest das äußere Spiralgehäuse 10 und/oder das innere Gehäuseeinsatzstück 12, also nicht-drehende bzw. feststehende Komponenten der Strömungsmaschine, aus einem Werkstoff auszubilden, dessen Bruchdehnung mindestens 5% beträgt. Vorzugsweise ist sowohl das äußere Spiralgehäuse 10 als auch das innere Gehäuseeinsatzstück 12 aus einem Werkstoff mit einer Bruchdehnung von mindestens 5% ausgebildet. Es ist eine Erkenntnis der hier vorliegenden Erfindung, dass unter Verwendung von Werkstoffen für die nicht-rotierenden Komponenten der Strömungsmaschine mit einer Bruchdehnung von mindestens 5%, die Containment Sicherheit der Strömungsmaschine verbessert werden kann.
Nach einer bevorzugten Weiterbildung der hier vorliegenden Erfindung ist die Fixierung 17, die der Befestigung des inneren Gehäuseeinsatzstücks 12 am Spiralgehäuse 10 dient, derart ausgebildet, dass diese Fixierung 17 mindestens 0,2% der maximal kinetischen Energie des Verdichterrads 3 und mindestens 1,0 % der durch das inneren Gehäuseeinsatzstück 12 aufgenommenen Verformungsenergie absorbieren kann. Hierdurch ist gewährleistet, dass ein Versagen der Fixierung 17 während des gesamten Vorgangs der Energieabsorption ausgeschlossen ist.
Wie bereits erwähnt, ist die Fixierung 17 als Dehnschraubenfixierung ausgeführt. Die Fixierung 17 umfasst demnach mindestens eine Dehnschraube, wobei die o der jede Dehnschraube aus einem Werkstoff mit einer Bruchdehnung von mindestens 10%, vorzugsweise mindestens 13%, gebildet ist.
Ebenfalls liegt es im Sinne der hier vorliegenden Erfindung, der oder jeden Dehnschraube der Fixierung 17 eine in 1 nicht-dargestellte Dehnhülse zuzuordnen, wobei mit solchen Dehnhülsen erzielt werden kann, dass die Fixierung 17 eine größere Energiemenge absorbieren kann. Die Dehnhülsen sind dabei vorzugsweise aus einem Werkstoff gebildet, dessen Bruchdehnung mindestens 10%, insbesondere mindestens 13%, beträgt.
Neben einer geeigneten Werkstoffwahl für die Dehnhülsen ist es weiterhin möglich, die Dehnhülsen derart konstruktiv zu gestalten, dass dieselben eine ausreichende Menge kinetischer Energie absorbieren können. Weiterhin ist es möglich, durch Vergrößerung des Verformungsvolumens des Dehnschafts der Dehnschrauben die von der Fixierung 17 absorbierbare Energiemenge zu erhöhen.
Mithilfe der hier vorliegenden Erfindung ist es möglich, die Containment Sicherheit der aus der EP 1 233 190 A1 bekannten Strömungsmaschine deutlich zu verbessern. Auf einen Berstschutz außerhalb des Spiralgehäuses kann verzichtet werden. Es ist eine weitere Reduzierung der Wandstärke der Gehäusekomponenten und damit eine Gewichts- und Kostenreduzierung der Strömungsmaschine möglich.

1: Lagergehäuse
2: Welle
3: Verdichterrad
4: Nabe
5: Schaufel
6: Außenkontur
7: Innenkontur
8: Verdichtergehäuse
9: Strömungskanal
10: Spiralgehäuse
11: Kanalabschnitt
12: Gehäuseeinsatzstück
13: Innenkontur
14: Kanalabschnitt
15: Innenzylinder
16: Hohlraum
17: Fixierung
18: Fixierung
19: Wand
20: Spitze
21: Spalt
22: Trennfuge
23: Flächenmittelpunkt
24: Querschnitt

Claims

Strömungsmaschine mit radial durchströmten Verdichterrad (3), das auf einer in einem Lagergehäuse (1) gelagerten Welle (2) aufgenommen und in einem Verdichtergehäuse (8) mit einem schneckenförmigen Strömungskanal (9) angeordnet ist, wobei eine Außenkontur (6) einer Nabe (4) des Verdichterrads (3) und eine Innenkontur (7) des Verdichtergehäuses (8) den von einer axialen Richtung in eine radiale Richtung umgelenkten Strömungskanal (9) ausbilden, wobei das Verdichtergehäuse (8) aus einem äußeren Spiralgehäuse (10) und einem inneren Gehäuseeinsatzstück (12) gebildet ist, wobei das äußere Spiralgehäuse (10) einen in die radiale Richtung nach außen umgelenkten Kanalabschnitt (11) des Strömungskanals (9) umfasst und mittels einer ersten Fixierung (18) am Lagergehäuse (1) festgelegt ist, und wobei das innere Gehäuseeinsatzstück (12), nämlich dessen Innenkontur (13), mit der Außenkontur (6) der Nabe (4) des Verdichterrads (3) einen im wesentlichen in axialer Richtung verlaufenden Kanalabschnitt (14) des Strömungskanals (9) ausbildet, zwischen dem Spiralgehäuse (10) und dem Verdichterrad (3) angeordnet und mittels einer zweiten Fixierung (17) am Spiralgehäuse (10) festgelegt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die nicht drehenden bzw. fest stehenden Komponenten der Strömungsmaschine, also das äußere Spiralgehäuse (10) und das innere Gehäuseeinsatzstück (12) aus einem Werkstoff gebildet sind dessen Bruchdehnung mindestens 5% beträgt und die zweite Fixierung (17), die der Befestigung des Gehäuseeinsatzstücks (12) am Spiralgehäuse (10) dient, derart ausgebildet ist, dass diese mindestens 0,2% der maximalen kinetischen Energie des Verdichterrads (3) und mindestens 1,0 % der durch das Gehäuseeinsatzstück (12) aufgenommenen Verformungsenergie absorbieren kann, wobei die zweite Fixierung (17) aus mindestens einer Dehnschraube mit einer Bruchdehnung von mindestens 10% gebildet ist.
Strömungsmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bruchdehnung der oder jeder Dehnschraube mindestens 13% beträgt.
Strömungsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei der zweiten Fixierung (17) jeder Dehnschraube eine Dehnhülse zur Erhöhung der Energieabsorption zugeordnet ist.
Strömungsmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die oder jede Dehnhülse aus einem Werkstoff gebildet ist, dessen Bruchdehnung mindestens 10% beträgt.
Strömungsmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Bruchdehnung der oder jeder Dehnhülse mindestens 13% beträgt.
Strömungsmaschine nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Spiralgehäuse (10) mit einem das Gehäuseeinsatzstück (12) zumindest teilweise umgebenden Innenzylinder (15) ausgeführt ist, an welchem das Gehäuseeinsatzstück (12) zur Ausbildung eines Hohlraums (16) mittels der zweiten Fixierung (17) angebaut ist.
Strömungsmaschine nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Fixierung (17) in axialer Richtung flexibel und weniger bruchsicher als die erste Fixierung (18) ausgebildet ist.