DE102014009504A1

DE102014009504A1 - Verdichtergehäuse für eine Turbine

Info

Publication number: DE102014009504A1
Application number: DE102014009504.5A
Authority: DE
Inventors: Stefan Ill
Original assignee: MTU Friedrichshafen GmbH
Current assignee: Rolls Royce Solutions GmbH
Priority date: 2014-06-26
Filing date: 2014-06-26
Publication date: 2015-12-31
Also published as: WO2015197154A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verdichtergehäuse zur Aufnahme eines Verdichterrads bei einem Turbolader, insbesondere einem Abgasturbolader, wobei das Verdichtergehäuse einen Gehäuseabschnitt aufweist, welcher als Kompensationsraum für Bruchstücke, die beim Bersten eines Verdichterrads auftreten, dient und dieser einstückig mit dem Verdichtergehäuse ausgebildet, insbesondere ausgeformt ist.

Description

Verdichter stellen bei Turboladern, insbesondere Abgasturboladern einen wesentlichen Bestandteil dar. Das im Verdichter rotierende Verdichterrad kann im Fall eines Bruches, beim sogenannten Bersten jedoch erheblichen Schaden am gesamten System anrichten, da die immense Rotationsenergie im Gehäuse absorbiert werden muss. Die hierzu vorgegeben Vorschriften verlangen einen Energieabbau des Verdichterrads im Berstfall, ohne dass ein Ölraum hinter dem Verdichterrad dabei beschädigt werden kann.
Unter Containment versteht man den Schutz vor versagenden, schnell rotierenden Bauteilen durch entsprechend dimensionierte Gehäuse. Bricht z. B. eine Schleifscheibe, so dürfen die Bruchstücke das Schutzgehäuse nicht verlassen. Gleiches gilt auch bei einem Versagen des Rotors einer Pumpe oder der Laufschaufeln eines Triebwerks oder Turboladers.
Die Gehäuse der Verdichter sind üblicherweise sehr massiv ausgeführt und müssen ihre Wandstärke einem Bestvorgang standhalten. Derartige dimensionierte Wandstärken erlauben jedoch keine kontrollierte Energieabsorption so dass oftmals Bruchstücke im Gehäuse unkontrolliert umherfliegen und/oder Verbindungsmittel am Gehäuse oder an Gehäusebestandteilen sehr massiv aufgebaut werden müssen, um das System im Berstfall geschlossen zu halten. Dies macht ein Gehäuse nach dem Stand der Technik teuer, schwer und die Sicherheitsaspekte komplex zu berechnen.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Gehäuse für einen Verdichter bereit zu stellen, welches die Nachteile des Standes der Technik vermeidet.
Die Erfindung schlägt ein Verdichtergehäuse zur Aufnahme eines Verdichterrads bei einem Turbolader, insbesondere einem Abgasturbolader, vor, wobei das Verdichtergehäuse einen Gehäuseabschnitt aufweist, welcher als Kompensationsraum für Bruchstücke, die beim Bersten eines Verdichterrads auftreten. Erfindungsgemäß ist der Gehäuseabschnitt einstückig mit dem Verdichtergehäuse ausgebildet, insbesondere ausgeformt.
Die Erfindung stellt ein Gehäuse für einen Verdichter an einem Turbolader bereit, welches bei einem Bersten des Verdichterrades eine verbesserte interne Energieabsorption bietet, um Beschädigungen an anderen Bauteilen des Turboladers, insbesondere am Ölraum und/oder an den Flanschen oder Gehäuseverbindungsteilen zu vermeiden. Zusätzlich wird auf das Anbringen, Befestigen und Sichern zusätzlicher Bauteile verzichtet.
Vorteilhaft ist das Einbringen des Kompensationsraums in ein einstückig ausgeformtes Gehäuseteil während dessen Herstellungsverfahrens, also beispielsweise beim Guss des Teiles. Dadurch wird eine weitere Bearbeitung vermieden oder zumindest verringert und die Verliersicherheit etwaiger Bestandteile ist gegeben.
Darüber hinaus ist es vorteilhaft, den Kompensationsraum im Volumen des Gehäuses unterzubringen, derart, dass eine kompakte Baugruppe entsteht. Die Wandung des Kompensationsraums, welche am Außenwandbereich liegt, ist damit in die Gesamtkontur des Verdichtergehäuses integriert. Auf diese Weise werden kompakte und damit bauraumbegünstigte Komponenten im Motor bereitgestellt.
Besonders vorteilhaft ist es, das Verdichtergehäuse derart auszubilden, dass der Kompensationsraum eine Innenwandung und eine Außenwandung aufweist und die Innenwandung in ihrer Wandstärke derart dimensioniert und ausgebildet ist, dass sie beim Bersten eines Verdichterrades deformiert und/oder durchschlagen wird und dabei Energie absorbiert und die Außenwandung in ihrer Wandstärke derart dimensionier und ausgebildet ist, dass Bruchstücke beim Bersten eines Verdichterrades zurückgehalten werden Die Innenwand nimmt dabei einen ersten kleinen Anteil der kinetischen Energie auf. Der verbleibende Anteil an kinetischer Energie der Berstsplitter des Verdichterrads wird dann durch die massiver ausgeführte Außenwandung aufgehalten. Dadurch wird die Energieaufnahme bereits vom Radrückenbereich des Gehäuses beim Bersten eines Verdichterrads entfernt oder zumindest stark reduziert. Eine massive Ausführung des Radrückens am Gehäuse, beispielsweise gegenüber einem ölführenden Lagergehäuse kann damit reduziert werden oder nahezu entfallen.
Die Kompensation kinetischer Energie durch die Deformation oder Durchschlagung einer Wandung bei gleichzeitiger Sicherung gegenüber einem Austritt durch die weitere Wandung erlaubt eine geringere Wandstärke der Außenwandung, als wenn eine Wandung die komplette Energie absorbieren müsste. Daraus folgen insgesamt eine geringere Masse und damit eine Verbesserung des Leistungsgewichts. Auch die Anbindung am Motor muss nur die geringere Masse aufnehmen, wodurch auch hier eine Verbesserung des Motorleistungsgewichts erfolgt.
Exemplarisch sollen die weiteren Merkmale der Erfindung am folgend dargestellten Ausführungsbeispiel schematisch erläutert werden. Die Erfindung ist jedoch nicht auf die dargestellte Geometrie beschränkt.
Es zeigen dabei
1 Ein erfindungsgemäßes Verdichtergehäuse im Schnitt in horizontaler Richtung;
2 Ein erfindungsgemäßes Verdichtergehäuse im Schnitt in vertikaler Richtung.
Gleiche Bestandteile sind mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
Es zeigt 1 und 2 den Verdichter 1 eines Turboladers im Horizontal- und Vertikalschnitt. Der Verdichter 1 umfasst ein Verdichtergehäuse 2, in welchem ein Verdichterrad 3 auf einer Welle 4 gelagert aufgenommen ist. Das Verdichterrad 3 umfasst Verdichterschaufeln 5, welche durch ihre Geometrie und Krümmung in bekannter Weise durch Rotation des Verdichterrads 3 Luft (Gas) von der Ansaugseite 6 am Verdichter 1 ansaugen. Die Angesaugte Luft wird durch die hohe Drehzahl des Verdichterrads 3 verdichtet und in den Diffusor 7 durch den Diffusorkanal 8 abgegeben. Der Diffusor 7 folgt dem Spiralgehäuse 13 in bekannter weise radial umlaufend, wobei sich der Diffusor kontinuierlich im Querschnitt bis zum Austritt vergrößert.
Auf der Rückseite 9 des Verdichterrads 3, also der Ansaugseite 6 gegenüberliegend am Verdichter 1 ist die Verdichterrückwand 10 angeordnet. Diese ist vorliegend sehr schematisch dargestellt. Die in bekannter weise angeordneten Dichtungen und Durchführungen sowie die ölführenden Bestandteile sind nicht dargestellt.
Tritt nun im Verdichter 1 ein gravierender Defekt durch das Bersten des Verdichterrads 3 auf, so werden die Bruchstücke des Verdichterrads 3 aufgrund der hohen Drehzahlen (oft über 100.000 U/min) mit erheblicher kinetischer Energie in den Raum abgegeben. Das Containment des Gehäuses, also der Schutz der Umgebung durch das Gehäuse muss die auftretende kinetische Energie absorbieren. Insbesondere darf der Ölraum hinter der Verdichterrückwand 10 nicht zerstört oder so massiv belastet werden, dass Öl austreten kann. Es ist daher im Sinn der Erfindung vorgesehen, die Berstenergie nach vorne, weg von der Verdichterrückwand 10 abzuführen. Um dies zu ermöglichen ist im Verdichtergehäuse zusätzlich ein Kompensationsraum 15 als eingegossener Hohlraum vorgesehen.
Ähnlich wie die gezeigten Diffusorräume 7a, 7b, 7c, 7d verändern auch die gezeigten Kompensationsräume 15a, 15b, 15c, 15d ihren Querschnitt mit dem radialen Umlauf im Spiralgehäuse 13. Diese konstruktive Eigenschaft erlaubt es, den Kompensationsraum 15 in die kompakte Baugruppe des Verdichtergehäuses 2 gut zu integrieren.
Der Kompensationsraum (exemplarisch am Querschnitt 15a gezeigt) umfasst eine Innenwandung 20 und eine Außenwandung 21. Bruchstücke der Verdichterschaufeln 5 beim Berst des Verdichterrads 3 durchschlagen als erstes die Innenwandung 20 und treten in den Kompensationsraum 15 ein. Der dadurch entstehende weitere Freiraum um Umfang des Kompensationsraums 15 lässt einen verbesserten Berstenergieabbau nach vorne, also weg von der Verdichterrückwand 10 zu. Das Verdichterrad 3 kann sich beim Bersten in den eingegossenen Hohlraum verteilen und wird damit weg vom hinter der Verdichterrückwand 10 liegenden Ölraum geführt. Die Außenwandung 21 hält durch ihre massivere Ausführung die geborstenen Teile des Verdichterrads zurück und stellt das geforderte Containment bereit.
Durch die Herstellung des Verdichtergehäuses 2 mit integriertem Kompensationsraum 15 im Gussverfahren als einstückiges Teil wird ein Verzicht auf zusätzliche Einschubteile oder Anbauelemente erreicht, welche über Verbindungselemente anzubringen wären und Schwachstellen darstellen können. Beispielsweise können Berstbleche nicht verwendet werden, da diese aufgrund der Schwingungen oder der notwendigen Verliersicherung nicht ohne weiteres technisch und vor allem wirtschaftlich darstellbar sind. Auch die bekannte Ausführung der bei steigenden Anforderungen ansteigenden Wandstärke des Verdichtergehäuses insgesamt ist nicht zielführend.
In 1 ist noch der Stopfen 22 zur Entleerung des Kompensationsraums 15 nach dem Guss dargestellt.
Ein weiterer Vorteil ergibt sich in der Verbindung der Gehäusehälften 2 und 10. Das Verdichtergehäuse 2 ist mit der Verdichterrückwand 10 durch eine umlaufende V-Band-Schelle 12 (vorliegend nur in 1, rechtsseitig gezeigt) an den Vorsprüngen 11 verbunden. Diese V-Band-Schelle 12 hält die Gehäusebestandteile zusammen und muss im Fall eines Berstens des Verdichterrads 3 die zwischen den Gehäusehälften 2 und 10 auftretenden Kräfte halten. Bei einer massiven Einwandausführung würde sich das Verdichterrad 3 radial in den Diffusorkanal 8 einschieben, was zu einem Trennen der Verbindung an den Vorsprüngen 11 führt. In diesem Fall muss die V-Band-Schelle massiver ausgestaltet sein, um die auftretenden Kräfte zu halten. Durch die Ausbildung des Kompensationsraums 15 werden auch die auf die V-Band-Schelle 12 wirkenden Kräfte reduziert. Die V-Band-Schelle 12 am Gehäuse wird entlastet, da nicht die gesamte Berstenergie aufgenommen werden muss.
Die insgesamt ermöglichte Verringerung der Wandstärken durch den Kompensationsraum 15 und die schwächere V-Band-Schelle sowie entsprechender Vorsprünge 11 kann das Verdichtergehäuse 2 bei insgesamt geringerer Masse den Berst eines Titan-Verdichterrads zurückhalten. Dadurch wird das Leistungsgewicht des gesamten Turboladers verbessert. Auch die Anbringung an den Flanschen 23 an der Ansaugseite kann verringert dimensioniert werden, wodurch sich auch das Leistungsgewicht des gesamten Motors verbessert.

Claims

Verdichtergehäuse zur Aufnahme eines Verdichterrads bei einem Turbolader, insbesondere einem Abgasturbolader, wobei das Verdichtergehäuse einen Gehäuseabschnitt aufweist, welcher als Kompensationsraum für Bruchstücke, die beim Bersten eines Verdichterrads auftreten, dient, dadurch gekennzeichnet, dass der Gehäuseabschnitt einstückig mit dem Verdichtergehäuse ausgebildet, insbesondere ausgeformt ist.
Verdichtergehäuse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verdichtergehäuse als Gussteil ausgebildet ist.
Verdichtergehäuse nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kompensationsraum als Hohlraum im Volumen des Verdichtergehäuses ausgebildet ist.
Verdichtergehäuse nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kompensationsraum eine Öffnung zur außenseitigen Umgebung des Verdichtergehäuses umfasst, wobei die Öffnung vorzugsweise mit einem Verschlussdeckel verschließbar ist.
Verdichtergehäuse nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kompensationsraum zumindest teilweise radial unterhalb eines Diffusorraums im Verdichtergehäuse angeordnet ist.
Verdichtergehäuse nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kompensationsraum eine Innenwandung und eine Außenwandung aufweist und die Innenwandung in ihrer Wandstärke derart dimensioniert und ausgebildet ist, dass sie beim Bersten eines Verdichterrades deformiert und/oder durchschlagen wird und dabei Energie absorbiert und die Außenwandung in ihrer Wandstärke derart dimensionier und ausgebildet ist, dass Bruchstücke beim Bersten eines Verdichterrades zurückgehalten werden.
Verdichtergehäuse nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kompensationsraum um eine Längsachse des Verdichtergehäuses, welche einer Rotationsachse eines Verdichterrades entspricht, umlaufend im Wesentlichen auf einer Kreisbahn verläuft.
Verdichtergehäuse nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kompensationsraum entlang seines Verlaufs einen sich ändernden Querschnitt aufweist.