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Technisches Gebiet
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Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der mit Abgasen von Brennkraftmaschinen beaufschlagten Turbolader.
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Sie betrifft eine Abgasturbine mit axialer Anströmung mit einem entnehmbaren Rotorblock.
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Stand der Technik
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Turbolader werden zur Leistungssteigerung von Hubkolbenmotoren eingesetzt. Diese Turbolader verwenden eine Turbine welche über eine Welle ein Verdichterrad antreibt. Bei Abgasturboladern mit axial angeströmten Abgasturbinen (in diesem Dokument hiernach kurz Axialturbine genannt, wobei diese Art von Axialturbinen eben gerade aufgrund des abströmseitigen Turbinendiffusors, welcher die Strömung in die radiale Richtung umlenkt nicht vergleichbar sein soll mit einer ein- oder mehrstufigen Axialturbine einer Gasturbine) ist der Turbinendiffusor mechanisch – etwa über eine feste Schraubverbindung – mit dem Gasaustrittsgehäuse der Turbine gekoppelt. Dadurch entsteht die Notwendigkeit, beim Ausbau des Turbinenrades in Richtung des Verdichters den Turbinendiffusor vorab vom Gasaustrittsgehäuse zu lösen, was insbesondere bei eingerosteten oder anderswie verklemmten Befestigungsmitteln oder allein aufgrund der Zugänglichkeit der zu lösenden Befestigungsmittel durch die Öffnung im Lagergehäuse eine mühsame und zeitintensive Arbeit sein. Um den Ausbau sämtlicher, der Abgasströmung ausgesetzter Teile eines Abgasturboladers bei der Wartung zu vereinfachen, gibt es Bestrebungen, das Design des Abgasturboladers derart zu optimieren, dass sich der gesamte Rotorblock – also alle rotierenden Teile und zugehörige Lagerbereiche – mitsamt der Leitvorrichtung stromaufwärts der Abgasturbine, zusammen als Einheit aus dem Turbinengehäuse herauslösen lassen. Hierzu eignen sich die herkömmlich ausgestalteten, in 1 abgebildeten Axialturbinen allerdings nicht.
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Die Verbindung zwischen den Bauteilen Gasaustrittsgehäuse und Turbinendiffusor unterliegen bei herkömmlichen Axialturbinen in der Regel keinen Relativbewegungen und sind durch metallischen Kontakt gegen Gasleckage abgedichtet. Es existiert somit kein Leckageströmung (Turbinenbypass) ausserhalb des Hauptströmungskanals der Turbine zwischen Turbinendiffusor und Gasaustrittsgehäuse und somit auch kein Bedarf für besondere Massnahmen zum Abdichten an dieser Schnittstelle.
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Kurze Darstellung der Erfindung
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, bei einer axial angeströmten Abgasturbine den Turbinendiffusor, welcher die Abgasströmung stromabwärts der Turbinenlaufschaufeln aus axialen in die radiale Richtung umlenkt, mechanisch von den Turbolader-Aussengehäusen zu entkoppeln und stattdessen den Turbinendiffusor, und optional den daran befestigten Düsenring, mechanisch der Rotorbaugruppe zuzuordnen.
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Erfindungsgemäss wird dies dadurch erreicht, dass der Turbinendiffusor durch den Strömungskanal hindurch an den radial innenliegenden, den Strömungskanal begrenzenden Gehäuseteilen, im Fachjargon Haube genannt, welche der Baugruppe des Rotors zugeordnet sind, befestigt wird. Dies erfolgt über speziell ausgerichtete und ausgestaltete Streben. Dadurch entsteht eine neue Baugruppe, der sogenannte Haubendiffusor.
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Das umgesetzte Gesamtkonzept ermöglicht einen gemeinsamen Ausbau von Rotor, Turbinendiffusor und Düsenring in einer Baugruppe, ohne die Aussengehäuse demontieren zu müssen.
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Dadurch ergeben sich kürzere Demontage- und Wiedermontagezeiten.
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Zudem kann der Einfluss von Verformungen der Aussengehäuse auf das Radialspiel der Turbinenlaufschaufeln und somit auf den Turbinenwirkungsgrad minimiert werden, da der Turbinendiffusor (inklusive des in der Regel als Abdeckring bezeichneten Bereichs direkt über den Laufschaufeln) mechanisch vom Aussengehäuse entkoppelt wird. Dies kann insbesondere für Hochdruckturbolader bei zweistufiger Aufladung relevant sein, da dort signifikante Verformungen der Aussengehäuse möglich sind, die aus Sicherheitsgründen (Vermeiden von Anstreifen der Laufschaufeln am Turbinendiffusor) ein grösseres Schaufelspitzenspiel erforderlich machen würden, falls Turbinendiffusor und Aussengehäuse fest verbunden wären.
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Durch das Anbinden des Turbinendiffusors an den Rotor anstatt ans Gasaustrittsgehäuse wird der Turbinendiffusor vom Gasaustrittsgehäuse mechanisch entkoppelt. Um Leckageströmung (Turbinenbypass) ausserhalb des Hauptströmungskanals der Turbine durch die neue Schnittstelle zwischen Rotorbaugruppe und Aussengehäuse zu verhindern, wird erfindungsgemäss eine semi-statische Drosseldichtstelle eingeführt.
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Weitere Vorteile ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen oder sind der detaillierten Beschreibung der Ausführungsbeispiele zu entnehmen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Nachfolgend werden verschiedene Ausführungsformen der Erfindung anhand von Zeichnungen detailliert erläutert. Hierbei zeigt
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1 einen entlang der Achse geführten Schnitt durch eine axial angeströmte Abgasturbine eines Abgasturbolader gemäss dem Stand der Technik,
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2 einen entlang der Achse geführten Schnitt durch eine axial angeströmte Abgasturbine eines Abgasturbolader mit einem erfindungsgemäss ausgebildeten Turbinendiffusor,
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3 eine vergrösserte Darstellung des erfindungsgemäss mechanisch entkoppelten Bereichs zwischen dem Diffusors und dem Gasaustrittsgehäuse der Abgasturbine nach 2, und
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4 eine schematische Darstellung der Drosseldichtung im mechanisch entkoppelten Bereich nach 3,
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Weg zur Ausführung der Erfindung
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Wie eingangs erwähnt zeigt 1 eine herkömmliche Axialturbine wie sie typischerweise in grossen Abgasturboladern eingesetzt wird. Die Axialturbine ist eine Abgasturbine, welche ein Turbinenrad 30 umfasst, welches am radial äusseren Rand der Radnabe einen Kranz mit Laufschaufeln 31 aufweist, welche einer in axialer Richtung geführten Abgasströmung ausgesetzt werden und die mit dem Turbinenrad verbundene Welle 60 in eine Rotationsbewegung versetzten. Das Abgas wird aus den Brennkammern einer Brennkraftmaschine über ein Gaseintrittsgehäuse 10 zur Turbine geführt. Das Gaseintrittsgehäuse umfasst eine Kalotte 11 mit welcher die rohrförmige Abgaszuleitung in einen ringrohrförmigen Strömungskanal überführt wird.
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Unmittelbar stromaufwärts der Laufschaufeln ist eine Leitvorrichtung 70, der sogenannte Düsenring angeordnet, mit einer Vielzahl von Leitschaufeln. Bei herkömmlichen Abgasturbinen dieser Bauart ist der Düsenring entweder am Gaseintrittsgehäuse 10 oder am Gasaustrittsgehäuse 20 befestigt. Das Gasaustrittsgehäuse umfasst neben einem grossen Sammelraum einen Diffusor 40, welcher den Strömungskanal stromab der Turbinenlaufschaufeln radial nach aussen begrenzt. Auf der gegenüberliegenden Seite wird der Strömungskanal durch ein am Lagergehäuse 50 befestigtes Gehäuseteil begrenzt, der sogenannten Haube 51. Haube und Diffusor bilden also den Strömungskanal, welcher für die Umlenkung der Strömung aus der axialen in die radiale Richtung verantwortlich ist. Um bei dieser Ausgestaltung des Turbinenbereichs von der Wellenseite her die der Abgasströmung ausgesetzten und daher für die Wartung der Turbine relevanten Bauteile ausbauen zu können, muss nach dem Herausziehen des Turbinenrades zuerst die Verbindung zwischen dem Düsenring und dem Gaseintritts- oder Gasaustrittsgehäuse gelöst werden. Dies kann, wie oben erwähnt, schwierig sein, wenn die entsprechenden Befestigungsmittel eingerostet, verschmutzt oder anderweitig verklemmt sind. Auch ist der Zugang zu den Befestigungsmitteln durch die enge Öffnung im Turbinengehäuse relativ schwierig.
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Aus diesem Grund wird in der erfindungsgemässen Axialturbine nach 2 der Weg für die Befestigung des Düsenrings am Rotorblock geebnet, indem zwischen der am Rotorblock befestigten Haube und dem Turbinendiffusor Verbindungsstreben eingesetzt werden. Die dadurch neu geschaffene Baugruppe kann mit Haubendiffusor 8 bezeichnet werden. Dieser Haubendiffusor 8 umfasst zwei rohrförmige Abschnitte, den am turbinenseitigen Ende radial aussenliegenden Diffusor 82 sowie die radial innenliegende Haube. Am wellenseitigen Ende des Haubendiffusors, das heisst an dem an den Sammelraum 21 im Gasaustrittsgehäuse 20 angrenzenden Bereich weisen die beiden rohrförmigen Abschnitte eine vergleichbare radiale Höhe auf, die beiden rohrförmigen Abschnitte sind somit gebogen und führen den Strömungskanal von der streng axialen Ausrichtung unmittelbar stromabwärts der Laufschaufeln 31 in die radiale Richtung über. Verbunden sind die beiden rohrförmigen Abschnitte des Haubendiffusors 8 durch mehrere, entlang dem Umfang verteilt angeordneten Streben 83. Die Streben können zwischen Diffusor und Haube geschraubt, geschweisst, gelötet oder direkt eingegossen werden. Fertigungstechnisch ist es vorteilhaft, die gesamte Baugruppe Haubendiffusor 8 als ein einziges Gussteil herzustellen.
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An dem dem Turbinenrad zugewandten Ende des Turbinendiffusors 82 ist optional der Düsenring 70 befestigt. Damit lässt sich der Düsenring beim Ausbau der nunmehr auch den Turbinendiffusor umfassenden Rotorbaugruppe ebenfalls zusammen mit der Turbinenscheibe aus dem Turbinengehäuse entfernen. Optional kann der Düsenring zusätzlich mit dem inneren Turbinengehäuse, der sogenannten Kalotte verbunden sein, so dass auch diese beim Ausbau mit der Rotorbaugruppe aus dem Turbinengehäuse gezogen werden kann. Alternativ, kann der am Turbinendiffusor befestigte Düsenring mechanisch vom inneren Turbinengehäuse entkoppelt sein, in diesem Fall kann es von Vorteil sein, wenn am Düsenring Mittel vorgesehen sein, welche eine Leckageströmung durch den radial inneren Bereich des Düsenrings verhindern, beispielsweise ein diese Kreisfläche schliessender Gehäusedeckel.
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Die Anzahl der Streben bestimmt die Erregerordnung von durch die Streben hervorgerufener Schwingungsanregung der Laufschaufeln (Störung im Druckfeld hinter der Rotorebene). Dabei sollte die Erregerordnung so hoch sein, dass eine Anregung der ersten Eigenfrequenz schon im tiefen Drehzahlbereich erfolgt und nicht im hohen, für den Betrieb relevanten Betriebsbereich nahe der Vollastdrehzahl. Dies ist mit einer Strebenanzahl von mindestens 7 gewährleistet.
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Die Streben weisen vorteilhafterweise einen tropfenförmigen Querschnitt zur Reduzierung von Strömungsverlusten auf. Dabei sollten die Tropfenprofile rotationssymmetrisch angeordnet und radial ausgerichtet sein, so dass die Profilsehne des spiegelsymmetrischen Tropfens parallel zum Radiusvektor des Turboladers verläuft, ohne Anstellwinkel. Aufgrund der drallfreien Abströmung aus dem Diffusor im Auslegungspunkt der Turbine führt dies zu minimalen Verlusten. Sollte hingegen die Turbine so ausgelegt werden, dass ein definierter Austrittsdrall vorhanden ist, müsste ein entsprechender Anstellwinkel zwischen Profilsehne des Tropfens und Radiusvektor definiert werden. Die Querschnittsfläche der Streben sollte ausreichend gross sein, damit Eigenfrequenz des Gesamtbauteils über der Turboladerdrehzahl liegt. Durch die begrenzte radiale Bauhöhe kann der Profilquerschnitt nicht beliebig vergrössert werden, da die Länge der Profilsehen fix ist. Nur durch Aufdicken des Tropfenprofils kann die Steifigkeit erhöht werden. Jede Aufdickung ist mit einer Erhöhung der Strömungsverluste verbunden. Die obere Grenze stellt ein kreisrunder Querschnitt dar.
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Bezüglich der Umfangsposition der Streben ist es vorteilhaft, eine der mindestens sieben Streben mittig bezüglich der Öffnung im Gasaustrittsgehäuse 20 anzuordnen. Bei Betrieb im Auslegungspunkt des Turboladers und der damit verbundenen drallfreien Abströmung aus der Turbine bilden sich im Gasaustrittsgehäuse zwei Wirbelzöpfe aus, die in der Mitte der Öffnung des Gasaustrittsgehäuses in Richtung Austrittsflansch des Gasaustrittsgehäuses zusammenfliessen. Mit dieser Anordnung werden die Strömungsverluste minimiert.
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Die Streben 83 sind vorteilhafterweise parallel zur Turboladerachse ausgerichtet und an dem dem Sammelraum im Gasaustrittsgehäuse zugewandten Ende angeordnet, statt radial direkt hinter der Rotorebene des Turbinenrades als Nachleitrad. Auch diese Massnahme führt zu einer Minimierung der Strömungsverluste, da die Streben somit an der Position mit der kleinstmöglichen Geschwindigkeit angebracht sind. Näher an der Turbinenrotorebene und (in eher radialer Ausführung) würden zwar gewisse Vorteile bezüglich der Steifigkeit der Baugruppe Haubendiffusor bringen, allerdings müssten dafür höhere Strömungsverluste hingenommen werden, da dort die Geschwindigkeiten in der Strömung höher sind. Zusätzlich wären höhere Schwingungsanregungen der Laufschaufeln zu erwarten.
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Wird der Turbinendiffusor vom Gasaustrittsgehäuse mechanisch entkoppelt, beispielsweise indem der Turbinendiffusor, wie oben beschrieben, an die Rotorbaugruppe anstatt ans Gasaustrittsgehäuse angebunden, wird eine neue Schnittstelle zwischen Turbinendiffusor und Gasaustrittsgehäuse geschaffen. Es entsteht zwischen diesen beiden Bauteilen ein Spalt, der als Leckagepfad um die Turbinenstufe herum wirkt. Es besteht die Gefahr, dass sich eine Leckageströmung A ausserhalb des Hauptströmungskanals der Turbine ausbildet (Turbinenbypass), die sich negativ auf den Turbinenwirkungsgrad auswirkt.
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Durch Relativbewegungen im Betrieb zwischen Turbinendiffusor und Gasaustrittsgehäuse besitzt der Spalt im transienten Betrieb eine zeitlich veränderliche Geometrie. Um Verluste im Turbinenwirkungsgrad durch allfällige Leckageströmung zu begrenzen, muss der Spalt in allen relevanten Betriebszuständen ausreichend abgedichtet werden. Hierfür wird erfindungsgemäss eine semi-statische Dichtung vorgesehen. Besonders geeignet sind Dichtungen auf Kolbenringbasis oder alternativ auf Basis von Lamellenringen. Beide Dichtungstypen sind Drosseldichtungen und werden in der Regel zwischen konzentrischen Zylinderflächen ohne radiale Relativbewegungen und Achsversatz (Desaxierung) eingesetzt. Für den hier vorliegenden Einsatzzweck muss jedoch im Betrieb mit starken radialen Relativbewegungen und Desaxierung zwischen den Zylinderflächen (Turbinendiffusor und Gasaustrittsgehäuse) gerechnet werden. Ein weiteres Problem, das sich bei einer herkömmlichen Anwendung solcher Drosseldichtungen nicht stellt, ist die Verschmutzung durch Abgasrückstände aus der Schwerölverbrennung.
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Die anhand der 3 und der 4 erläuterte erfindungsgemässe Drosseldichtung umfasst eine Anordnung von metallischen Dichtungsringen 91 (Kolbenringen, Lamellenringen oder ähnliche Elemente) in Nuten 821 auf dem Aussendurchmesser des Turbinendiffusors 82. Die Nutbreite wird dabei so gewählt, dass es nie zum Klemmen aufgrund der radialen und axialen Relativbewegungen des führenden Bauteils am Kolbenring kommt. Zudem kann optional durch die Ausbildung schräger Nutwände verhindert werden, dass bei einer Desaxierung zwischen Turbinendiffusor und Gasaustrittsgehäuse, also bei einer Schiefstellung des Turbinendiffusors bezüglich dem Gasaustrittsgehäuse, ein Dichtungsring in der Nut verklemmt. Die Schräge der Nutwände (Winkel zur radialen Richtung) entspricht dabei vorteilhafterweise der zu erwartenden Schiefstellung im Betrieb. Insbesondere bei knapp bemessenen Spaltbreiten helfen die schrägen Nutwände ein Klemmen des Dichtungsrings zu verhindern.
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Bei der Montage des Rotors wird der Turbinendiffusor 82 in das Gasaustrittsgehäuse 20 eingefahren (in der 3 von links). Über eine Einfahrschräge 22 des Gasaustrittsgehäuses werden dabei die Dichtungsringe 91 gegen den Innendurchmessers des Gasaustrittsgehäuses 20 verspannt. Im Betrieb stellt sich so eine Anpresskraft der Dichtungsringe gegen den Innendurchmessers des Gasaustrittsgehäuses ein, die sich aus der Vorspannung des Dichtungsrings und einer resultierenden radial nach aussen wirkenden Druckkraft auf den Dichtungsring ergibt. Bei Kolbenringen ist der Effekt der radialen Druckkraft je nach Geometrie von Kolbenring, Nut und Dichtspalt deutlich nutzbar. Ein flacher Kolbenring weist eine hohe Anpassungsfähigkeit gegenüber der axialen Lauffläche auf und ist gegenüber Flattern weniger anfällig, wohingegen ein hochkant stehender, schmaler Kolbenring auf eine hohe Flächenpressung radial und axial ausgelegt ist.
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Bei Lamellenringen ist aufgrund der fertigungsbedingten Bauform (Verhältnis Durchmesser zu Querschnitt) die resultierende radiale Druckkraft vernachlässigbar klein.
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4 zeigt eine schematische Skizze der Dichtungsanordnung mit radial anliegenden Dichtungsringen. Die Anordnung weist optional 1 oder 2 Dichtungsringe auf. Zusätzlich kann optional Sperrluft stromauf der Dichtungsringe oder zwischen den Dichtungsringen zum Verhindern von Verschmutzung im Spalt durch Abgasrückstände. Ebenfalls zum Verhindern von Verschmutzungen im Dichtungsbereich kann stromauf der Dichtungsstellen eine Labyrinthdichtung 822 vorgesehen sein, welche zwar keine wesentliche Drosselwirkung erzeugt, aber durch die Umlenkwirkung zum Abscheiden von Abgasrückständen beiträgt. In den Spalt zwischen dem Turbinendiffusor und dem Gasaustrittsgehäuse eindringende Abgasrückstände können zum Verklemmen der Dichtungsringe führen. Daher muss eine Verschmutzung der Dichtparte möglichst vermieden werden.
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Alternativ zu den Dichtungsringen kann ein im Gasaustrittsgehäuse oder im Turbinendiffusor vormontiertes Kompensatorblech zur Abdichtung des Spalts eingesetzt werden. Das Kompensatorblech wird dabei durch Montagevorspannung an beiden Bauteilen anliegen. Betriebsverformungen können durch die Formgebung des Blechs gut aufgenommen werden.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Gaseintrittsgehäuse
- 11
- Kalotte (inneres Gaseintrittsgehäuse)
- 20
- Gasaustrittsgehäuse
- 21
- Sammelraum
- 22
- Einfahrschräge
- 30
- Turbinenrad
- 31
- Laufschaufeln des Turbinenrades
- 40
- Turbinendiffusor
- 50
- Lagergehäuse
- 51
- Haube
- 60
- Welle
- 70
- Leitvorrichtung (Düsenring)
- 8
- Haubendiffusor
- 81
- Haube
- 82
- Turbinendiffusor
- 821
- Nuten im Diffusor
- 822
- Labyrinthdichtung
- 83
- Strebe
- 9
- Drosseldichtung
- 91
- Dichtungsring
- A
- Leckageströmung
