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Technisches Gebiet
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Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Strömungsmaschinen, insbesondere Abgasturbolader für aufgeladene Brennkraftmaschinen.
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Sie betrifft ein Turbinenrad mit einer Vielzahl von Laufschaufeln, welche jeweils an ihren freien Enden Deckband-Segmente aufweisen sowie den Übergang zwischen Deckband-Segmenten zweier benachbart zueinander angeordneter Laufschaufeln eines Turbinenrades.
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Stand der Technik
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Axialturbinen thermischer Strömungsmaschinen, etwa Gasturbinen oder Turbinen von Abgasturboladern, weisen eine Vielzahl von Laufschaufeln auf, welche auf einer Nabe angeordnet sind, welche um eine Welle drehbar gelagert ist. Die Laufschaufeln weisen an ihren radial äusseren, freien Enden häufig Deckbänder – in der Fachsprache „Shroud” genannt – auf. Ein Deckband setzt sich aus einzelnen Segmenten zusammen, die mit jeweils einer Laufschaufel integral verbunden sind.
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Die Segmente werden durch eine Torsionsvorspannung der Schaufeln bei der Montage oder im Betrieb durch die natürliche Entwindung der Schaufeln unter Fliehkrafteinfluss gegeneinander verspannt. Die Funktion der Deckbänder besteht in der Verbesserung des thermodynamischen Wirkungsgrades durch Minimierung der Spaltverluste, sowie in der Optimierung des Schwingungsverhaltens durch ihre dämpfende und versteifende Wirkung.
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Voraussetzung für die Erreichung höchster thermodynamischer Wirkungsgrade ist eine möglichst verlustfreie Führung der Strömung. Eine Voraussetzung dafür sind möglichst geringe Absätze im gesamten Strömungskanal. Verschiedenste Randbedingungen bei der Auslegung von Deckbändern führen oftmals zu Deckbandausführungen mit einer relativ grossen Bauhöhe. Bei einstufigen Turbinen und bei der Endstufe mehrstufiger Turbinen ist eine Konstruktion erforderlich, die einen möglichst stufenfreien Übergang vom Laufrad auf den stromabwärts anschliessenden Strömungskanal sicherstellt. Die Aufgabenstellung wird im Turbinenbau häufig dadurch gelöst werden, dass das Deckband in einer gehäuseseitigen Nut eingelassen ist. Die Montierbarkeit der Turbine wird durch teilbare Turbinengehäuse gewährleistet, welche im Bereich der gehäuseseitigen Nut zusammengefügt werden können. Eine derartig ausgebildete Abgasturbine ist in der 1 dargestellt.
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Bei einteiligen Turbinengehäusen wird die Montierbarkeit gewährleistet indem die Turbine von mindestens einer Seite in axialer Richtung aus dem Gehäuse ausziehbar ist. Dafür kann das Deckband nicht in einer gehäuseseitigen Nut eingelassen sein.
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Kurze Darstellung der Erfindung
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Aufgabe der Erfindung ist, eine axial durchströmte Abgasturbine mit einteiligem Gehäuse zu schaffen, welche einen möglichst stufenfreien Übergang vom Laufrad auf den stromabwärts anschliessenden Strömungskanal aufweist.
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In einer ersten erfindungsgemässen Ausführungsform einer axial durchströmten Abgasturbine wird das Deckband (Shroud) mit einem abströmseitigen Rücksprung versehen, welcher geringer als 0.5% des Aussendurchmessers der Turbinenschaufeln ist.
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In einer zweiten erfindungsgemässen Ausführungsform einer axial durchströmten Abgasturbine ist das Deckband (Shroud) von anströmseitiger Kante bis abströmseitiger Kante in einem Winkel von mindestens 10° zur umgebenden Gehäusewand gestellt.
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Die Abgasturbine mit dem erfindungsgemässen Deckband weist einen geringen Rücksprung in der Strömungsgeometrie auf und kommt daher ohne die gehäuseseitige Nut zur Aufnahme der Laufschaufelspitze aus. Dadurch wird die Montierbarkeit und die Demontierbarkeit der Abgasturbine verbessert.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Folgend sind anhand der Zeichnungen zwei Ausführungsformen der erfindungsgemässen Abgasturbine beschrieben. Hierbei zeigt
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1 eine axial durchströmte Abgasturbine mit einem Deckband am radial äusseren Ende der Laufschaufeln und einer umlaufenden Nut im Gehäuse zur Aufnahme des radial äusseren Endes der Laufschaufeln gemäss dem Stand der Technik,
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2 eine erste Ausführungsform der erfindungsgemässen Abgasturbine mit einem Deckband mit geringem abströmseitigem Rücksprung, und
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3 eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemässen Abgasturbine mit einem in einem Winkel von mehr als 10° zum umgebenden Gehäuse angewinkelten Deckband.
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Weg zur Ausführung der Erfindung
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1 zeigt eine herkömmliche Axialturbine eines Abgasturboladers. Wie eingangs beschrieben, weist die Turbine ein Turbinenrad (Nabe) 1 mit einer Vielzahl von Laufschaufeln 2 auf. Im Strömungskanal 6 ist in Strömungsrichtung vor den Laufschaufeln 2 des Turbinenrades ein Düsenring 3 angeordnet. Der Düsenring umfasst mehrere Leitschaufeln 31. Die Leitschaufeln 31 des Düsenrings 3 sind mit zwei Gehäuseringen 32 zusammengehalten. Anstelle von zwei Gehäuseringen 32 können die Leitschaufeln 31 auch nur mit einem äusseren, bzw. einem inneren Gehäusering verbunden sein. Radial gegen aussen ist der Strömungskanal 6 durch ein Turbinengehäuse begrenzt. Das Turbinengehäuse ist in der Regel mehrteilig ausgebildet, um durch Entfernen des einen oder anderen Gehäuseteils den Zugang zum Turbinenrad zu ermöglichen. In der dargestellten Ausführungsform umfasst das Turbinengehäuse ein Gaseintrittsgehäuse 5 und ein Gasaustrittsgehäuse 4.
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Die einzelnen Laufschaufeln 2 des Turbinenrades weisen an ihren radial äusseren, freien Enden jeweils ein Deckband-Segment mit einer anströmseitigen Deckbandkante 22 und einer abströmseitigen Deckbandkante 21 auf. Im montierten Zustand reihen sich die einzelnen Deckband-Segmente zu einem umlaufenden Deckband zusammen. Radial ausserhalb der Deckband-Segmente 22 sind Dichtstegsegmente 23 angeordnet, welche analog dem Deckband zu einem umlaufenden Dichtsteg zusammengesetzt sind. Aufgrund der engen Tolerierung des Radialspiels zwischen den Spitzen der Turbinenlaufschaufeln und dem Gehäuse, kann der Gehäusebereich unmittelbar radial ausserhalb der Spitzen der Turbinenlaufschaufeln als separater Abdeckring ausgeführt sein. Um einen möglichst stufenfreien Übergang von den Laufschaufeln 2 auf den stromabwärts anschliessenden Strömungskanal sicherzustellen, ist das Deckband (Shroud) an den Laufschaufelspitzen in einer gehäuseseitigen Nut 41 geführt. Dank dem Vorsprung 42 erfährt die Strömung nach den Laufschaufeln praktisch keine Stufe.
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Zur Demontage der Turbine wird das Gaseintrittsgehäuse 5 entfernt und dann das Turbinenrad 1 in Richtung des Gaseintritts, also in der 1 nach rechts, aus dem Gehäuse gezogen. Soll das Turbinenrad hingegen in Richtung des Gasaustritts aus dem Turbinengehäuse demontierbar sein, muss im Bereich ausserhalb der Laufschaufeln das Gasaustrittsgehäuse 4 ohne Vorsprung 42 ausgebildet sein, was in der 1 mit der gestrichelten Linie angedeutet ist. Nur so lässt sich die Turbine 1 mitsamt den Laufschaufeln 2 aus dem Gasaustrittsgehäuse ziehen. In diesem Fall ergibt sich eine für die Strömung ungünstige Stufe.
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Um diese Stufe zu reduzieren weist das Deckband der ersten erfindungsgemässen Ausführungsform gemäss 2 eine abströmseitige Deckbandkante 21 auf, deren Innendurchmesser DK mindestens 99.5% des äussersten Laufschaufeldurchmessers DT beträgt, und welche dadurch gegenüber der Laufschaufelspitze um maximal 0.5% des äussersten Laufschaufeldurchmessers DT zurückversetzt ist. Dieser Rücksprung ist in der Figur mit ΔRS gekennzeichnet. Die radial äusserste Laufschaufelspitze ist in der vorliegenden Ausführungsform die radial äusserste Spitze des Dichtstegsegmentes 23.
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In der zweiten erfindungsgemässen Ausführungsform gemäss 3 verläuft das Deckband zwischen der anströmseitigen inneren Deckbandkante 22 und der abströmseitigen inneren Deckbandkante 21 zur umgebenden Gehäusewand in einem Winkel. Eine imaginäre Gerade durch die anströmseitigen inneren Deckbandkante 22 und die abströmseitigen inneren Deckbandkante 21 schneidet eine imaginäre, entlang der Gehäusewand radial ausserhalb der Laufschaufelspitze geführte Tangentialgerade in einem Winkel αS von mindestens 10°.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Turbinenrad
- 2
- Laufschaufeln der Abgasturbine
- 21
- abströmseitige Deckbandkante
- 22
- anströmseitige Deckbandkante
- 23
- Dichtsteg(-segment)
- 3
- Düsenring
- 31
- Leitschaufeln des Düsenrings
- 32
- Gehäusering des Düsenrings
- 4
- Gasaustrittsgehäuse
- 41
- Gehäuseseitige Nut
- 42
- Vorsprung der Gehäusewand
- 5
- Gaseintrittsgehäuse
- 6
- Strömungskanal
- DK
- Innendurchmesser abströmseitige Deckbandkante
- DT
- Aussendurchmesser Laufschaufeln
- ΔRS
- Rücksprung
- αS
- Shroudwinkel
