DE102017122230A1

DE102017122230A1 - Turbolader

Info

Publication number: DE102017122230A1
Application number: DE102017122230.8A
Authority: DE
Inventors: Steffen Braun; Frank Grießhaber; Vladimir Hort
Original assignee: MAN Diesel and Turbo SE
Current assignee: MAN Energy Solutions SE
Priority date: 2017-09-26
Filing date: 2017-09-26
Publication date: 2019-03-28
Also published as: JP2019060342A; US11041407B2; CN109555567A; CH714205A2; KR20190035531A; US20190093515A1; CH714205B1

Abstract

Turbolader, mit einer Turbine zur Entspannung eines ersten Mediums, wobei die Turbine ein Turbinengehäuse und einen Turbinenrotor aufweist, mit einem Verdichter zur Verdichtung eines zweiten Mediums unter Nutzung von in der Turbine bei Entspannung des ersten Mediums gewonnener Energie, wobei der Verdichter ein Verdichtergehäuse und einen mit dem Turbinenrotor über eine Welle gekoppelten Verdichterrotor aufweist, wobei das Turbinengehäuse das Verdichtergehäuse jeweils mit einem zwischen denselben angeordneten Lagergehäuse, in welchem die Welle gelagert ist, verbunden sind, mit einer das Turbinengehäuse (4) und/oder das Verdichtergehäuse und/oder das Lagergehäuse zumindest abschnittsweise umgebenden Einhausung (18), die zumindest aus einem ersten Einhausungsabschnitt (20) und einem zweiten Einhausungsabschnitt (21) gebildet ist, die über Schraubverbindungen (22) miteinander verbundenen sind. An dem ersten Einhausungsabschnitt (20) sind Scherkraftaufnahmeelemente (23) ausgebildet oder befestigt, die sich durch den zweiten Einhausungsabschnitt (21) erstrecken und im Falle des Auftretens von Scherkräften die Scherkräfte aufnehmen und so die Schraubverbindungen (22) von den Scherkräften entlasten.

Description

Die Erfindung betrifft einen Turbolader.
Der grundsätzliche Aufbau eines Turboladers ist dem hier angesprochenen Fachmann bekannt. Ein Turbolader verfügt über eine Turbine, in der ein erstes Medium entspannt wird. Ferner verfügt ein Turbolader über einen Verdichter, in dem ein zweites Medium verdichtet wird, und zwar unter Nutzung der in der Turbine bei der Entspannung des ersten Mediums gewonnenen Energie. Die Turbine des Turboladers verfügt über ein Turbinengehäuse sowie einen Turbinenrotor. Der Verdichter des Turboladers verfügt über ein Verdichtergehäuse sowie einen Verdichterrotor. Zwischen dem Turbinengehäuse der Turbine und dem Verdichtergehäuse des Verdichters ist ein Lagergehäuse positioniert, wobei das Lagergehäuse einerseits mit dem Turbinengehäuse und andererseits mit dem Verdichtergehäuse verbunden ist. Im Lagergehäuse ist eine Welle gelagert, über die der Turbinenrotor mit dem Verdichterrotor gekoppelt ist.
Im Betrieb eines Turboladers besteht die Gefahr, dass ein Rotor, so zum Beispiel der Turbinenrotor oder auch der Verdichterrotor, des Turboladers bricht und Bruchstücke des Rotors das entsprechende Gehäuse, also das Turbinengehäuse oder das Verdichtergehäuse, durchschlagen. Dabei besteht dann die Gefahr, dass die Bruchstücke des Turboladers in die Umgebung gelangen. Um diesem Problem des Berstens eines Rotors des Turboladers Rechnung zu tragen, wird bei aus der Praxis bekannten Turboladern das jeweilige Gehäuse derart ausgelegt, dass ein Schadensfall des jeweiligen Gehäuses nicht zu erwarten ist und selbst bei Brechen des jeweiligen Rotors Bruchstücke desselben das jeweilige Gehäuse nicht durchschlagen können. Hierdurch wird jedoch das Gewicht des Turboladers erhöht.
Um das Gewicht eines Turboladers infolge eines Berstschutzes nicht zu erhöhen und um andererseits bestehende ältere Abgasturbolader entsprechend nachrüsten zu können, ist es aus der DE 10 2013 013 571 A1 bekannt, das Verdichtergehäuse und/oder das Turbinengehäuse des Turboladers zumindest abschnittsweise mit einem Ringgewebe zu umhüllen, welches im Schadensfalls Bruchstücke zurückhält und so die Containmentsicherheit eines Turboladers erhöht.
Weiterhin ist es aus der Praxis bereits bekannt, den Berstschutz und damit den Containmentschutz über eine Einhausung bereitzustellen, die das Turbinengehäuse und/oder das Verdichtergehäuse und/oder das Lagergehäuse zumindest abschnittsweise umgibt, wobei eine solche Einhausung aus mehreren Einhausungsabschnitten gebildet ist, die über Schraubverbindungen miteinander verbunden sind. Dann, wenn im Schadenfall Bruchstücke eines Rotors des Turboladers auf die Einhausung treffen, besteht hier die Gefahr, dass infolge der Berstkräfte die Schraubverbindungen mit Scherkräften beansprucht werden, die dann zu einem Versagen der Schraubverbindungen führen können. Es besteht Bedarf daran, an einem Turbolader, der zur Bereitstellung eines Berstschutzes und damit einer Containmentsicherheit mehrere über Schraubverbindungen miteinander verbundene Einhausungsabschnitte aufweist, die Containmentsicherheit zu erhöhen.
Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen neuartigen Turbolader zu schaffen. Diese Aufgabe wird durch einen Turbolader nach Anspruch 1 gelöst. An dem ersten Einhausungsabschnitt sind Scherkraftaufnahmeelemente ausgebildet oder befestigt, die sich durch den zweiten Einhausungsabschnitt erstrecken und im Falle des Auftretens von Scherkräften die Scherkräfte aufnehmen und so die Schraubverbindungen von den Scherkräften entlasten. Über die Scherkraftaufnahmeelemente können im Berstfall auftretende Scherkräfte sicher aufgenommen und so die Schraubverbindungen entlastet werden. Es besteht keine Gefahr, dass die Schraubverbindungen infolge von Scherkräften versagen. Hierdurch kann der Berstschutz und damit die Containmentsicherheit erhöht werden.
Vorzugsweise sind die Scherkraftaufnahmeelemente benachbart zu den Schraubverbindungen angeordnet sind. Dabei können die Scherkraftaufnahmeelemente seitlich neben einer Schraubverbindung oder um die Schraubverbindung herum angeordnet sein. Hiermit kann der Berstschutz bzw. die Containmentsicherheit besonders vorteilhaft erhöht werden.
Vorzugsweise sind die Scherkraftaufnahmeelemente mit dem ersten Einhausungsabschnitt verschweißt und erstrecken sich durch jeweils eine Ausnehmung im zweiten Einhausungsabschnitt hindurch. Alternativ ist das jeweilige Scherkraftaufnahmeelement als Erhebung, insbesondere als tiefgezogene oder geprägte Kuppe, des Einhausungsabschnitts ausgebildet und erstreckt sich durch eine Ausnehmung im zweiten Einhausungsabschnitt hindurch. Auch diese Merkmale dienen der effektiven Aufnahme von Scherkräften und damit der Entlastung der Schraubverbindungen vor einer Scherbelastung.
Die Scherkraftaufnahmeelemente finden vorzugsweise an der Einhausung eines Turboladers Verwendung. Die Scherkraftaufnahmeelemente können jedoch auch an anderen zu verbindenden Elementen eines Turboladers zur Anwendung kommen, so z.B. zur Verbindung eines ersten statorseitigen Elements des Turboladers mit einem zweiten statoseitigen Element des Turboladers und/oder zur Verbindung eines ersten rotorseitigen Elements des Turboladers mit einem zweiten rotorseitigen Element des Turboladers. Dies ist in Anspruch 10 definiert.
Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung. Ausführungsbeispiele der Erfindung werden, ohne hierauf beschränkt zu sein, an Hand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt:

1 einen Querschnitt durch einen Turbolader,
2 ein Detail eines erfindungsgemäßen Turboladers.

Die Erfindung betrifft einen Turbolader.
1 zeigt den grundsätzlichen Aufbau eines Turboladers 1. Ein Turbolader 1 verfügt über eine Turbine 2 zur Entspannung eines ersten Mediums, insbesondere zur Entspannung von Abgas einer Brennkraftmaschine. Ferner verfügt ein Turbolader 1 über einen Verdichter 3 zur Verdichtung eines zweiten Mediums, insbesondere von Ladeluft, und zwar unter Nutzung von in der Turbine 2 bei der Entspannung des ersten Mediums gewonnener Energie.
Die Turbine 2 verfügt dabei über ein Turbinengehäuse 4 und einen Turbinenrotor 5. Der Verdichter 3 verfügt über ein Verdichtergehäuse 6 und einen Verdichterrotor 7. Der Verdichterrotor 7 ist mit dem Turbinenrotor 5 über eine Welle 8 gekoppelt, die in einem Lagergehäuse 9 gelagert ist, wobei das Lagergehäuse 9 zwischen dem Turbinengehäuse 4 und dem Verdichtergehäuse 6 positioniert und sowohl mit dem Turbinengehäuse 4 und dem Verdichtergehäuse 6 verbunden ist. Ferner zeigt 1 einen verdichterseitigen Schalldämpfer 10.
Das Turbinengehäuse 4 der Turbine 2 umfasst ein Zuströmgehäuse 11 und ein Abströmgehäuse 12. Über das Zuströmgehäuse 11 kann das im Bereich der Turbine 2 zu entspannende erste Medium dem Turbinenrotor 5 zugeführt werden. Über das Abströmgehäuse 12 strömt im Bereich des Turbinenrotors 5 entspanntes erstes Medium von der Turbine 2 weg.
Das Turbinengehäuse 4 umfasst neben dem Zuströmgehäuse 11 und dem Abströmgehäuse 12 ein Einsatzstück 13, wobei das Einsatzstück 13 insbesondere im Bereich des Zuströmgehäuses 11 verläuft, und zwar benachbart zum Turbinenrotor 5 radial außen angrenzend an Laufschaufeln 14 des Turbinenrotors 5.
Das Turbinengehäuse 4 umfasst weiterhin einen Düsenring 15. Der Düsenring 15 wird auch als Turbinenleitapparat bezeichnet.
Ferner zeigt 1 im Verbindungbereich von Zuströmgehäuse 11 und Lagergehäuse 9 einen Dichtdeckel 16. Der Dichtdeckel 16 wird auch als Lagergehäusedeckel oder Hitzeschild bezeichnet.
Das Zuströmgehäuse 11 der Turbine 2 ist mit dem Lagergehäuse 9 über eine Befestigungseinrichtung 17 verbunden, die vorzugsweise als Spannpratze ausgebildet ist. In diesem Verbindungsbereich zwischen Lagergehäuse 9 und Zuströmgehäuse 11 der Turbine wird ein radial äußerer Abschnitt des Dichtdeckels 15 geklemmt. Vorzugsweise wird in diesem Verbindungsbereich auch der Düsenring mit einem Abschnitt geklemmt.
Im Betrieb eines solchen Turboladers 1 kann es zu einem Schadenfall im Bereich des Turbinenrotors 5 oder auch des Verdichterrotors 7 kommen. Dabei können sich dann Bruchstücke vom jeweiligen Rotor 5 bzw. 7 lösen und auf das jeweilige Gehäuse 4 bzw. 6 treffen, wodurch das Gehäuse 4 bzw. 6 einer Beschädigung unterliegt. So kann es zum Beispiel sein, dass dann, wenn der Turbinenrotor 5 bricht, Bruchstücke desselben auf das Zuströmgehäuse 11 des Turbinengehäuses 4 gelangen und dasselbe durchschlagen. Daher ist es erforderlich, einen entsprechenden Berstschutz zur Erhöhung der sogenannten Containmentsicherheit bereitzustellen.
2 zeigt einen ausschnittsweisen Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Turbolader 1 im Bereich eines Zuströmgehäuses 11 des Turbinengehäuses 4 des Turboladers, wobei das Turbinengehäuse 4, nämlich das Zuströmgehäuse 11 desselben, gemäß 2 zumindest abschnittsweise von einer Einhausung 18 umgeben ist.
Die Einhausung 18 besteht im gezeigten Ausführungsbeispiel aus mehreren Einhausungsabschnitten 19, 20 und 21, die über Schraubverbindungen 22 miteinander verbunden sind. So erstrecken sich die Schraubverbindungen 22 durch Ausnehmungen in den Einhausungsabschnitten 19, 20 und 21, um dieselben miteinander zu verbinden.
Im Sinne der hier vorliegenden Erfindung ist an dem Einhausungsabschnitt 20 mindestens ein Scherkraftaufnahmeelement 23 ausgebildet bzw. an demselben befestigt. Die an dem Einhausungsabschnitt 20 ausgebildeten bzw. befestigten Scherkraftaufnahmeelemente 23 erstrecken sich durch den angrenzenden Einhausungsabschnitt 21 hindurch und nehmen insbesondere im Berstfall, also dann, wenn Berstkräfte 26 an den Einhausungsabschnitten 20 Scherkräfte 27 verursachen, die Scherkräfte auf und entlasten so die Schraubverbindungen 22 von den Scherkräften.
Auftretende Scherkräfte werden demnach von den Scherkraftaufnahmeelementen 23 aufgenommen, dieselben müssen nicht von den Schraubverbindungen 22 aufgenommen werden, sodass dann keine Gefahr besteht, dass die Schraubelemente 22 im Schadenfall bzw. Berstfall infolge von Scherkräften versagen.
Gemäß 2 sind die Scherkraftaufnahmeelemente 23 benachbart zu den Schraubverbindungen 22 angeordnet. Dabei ist im Bereich jeder Schraubverbindung 22 ein Scherkraftaufnahmeelement 23 angeordnet, und zwar in 2 seitlich neben der jeweiligen Schraubverbindung.
Das jeweilige Scherkraftaufnahmeelement 23 ist im gezeigten Ausführungsbeispiel ringförmig ausgebildet und unter Ausbildung einer Schweißnaht 24 mit dem Einhausungsabschnitt 20 verschweißt. Das jeweilige Scherkraftaufnahmeelement 23 kann kreisrund oder oval oder eckig konturiert sein.
Das jeweilige Scherkraftaufnahmeelement 23 erstreckt sich durch eine Ausnehmung 25 im angrenzenden Einhausungsabschnitt 21 hindurch. Treten Scherkräfte 27 auf, so nehmen die Scherkraftaufnahmeelemente 23 diese Scherkräfte auf.
Im gezeigten Ausführungsbeispiel der 2 sind drei Einhausungsabschnitte 19, 20 und 21 vorhanden, wobei die Scherkraftaufnahmeelemente 23 am Einhausungsabschnitt 20 befestigt sind und sich durch Ausnehmungen 25 im Einhausungsabschnitt 21 erstrecken. Im Unterschied hierzu ist es auch möglich, dass die Scherkraftaufnahmeelemente 23 am Einhausungsabschnitt 19 ausgebildet sind und sich durch Ausnehmungen im Einhausungsabschnitt 20 durch Ausnehmungen im Einhausungsabschnitt 21 erstrecken.
Weiterhin ist es möglich, dass lediglich zwei Einhausungsabschnitte vorhanden sind, so zum Beispiel die Einhausungsabschnitte 19 und 20, wobei dann die Scherkraftaufnahmeelemente 23 mit dem Einhausungsabschnitt 19 durch Verschweißen verbunden sind sich durch Ausnehmungen im Einhausungsabschnitt 20 erstrecken.
Im gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Scherkraftaufnahmeelemente 23 seitlich neben den Schraubverbindungen 22 positioniert. Im Unterschied hierzu ist es auch möglich, dass sich die ringförmigen Scherkraftaufnahmeelemente 23 um die Schraubverbindungen 22 herum erstrecken, wobei sich dann die Schraubverbindungen 22 durch eine zentrale Ausnehmung im Scherkraftaufnahmeelement 23 hindurch erstreckt.
Mit der hier vorliegenden Erfindung kann an einem Turbolader mit einer Einhausung ein effektiver Berstschutz und damit eine effektive Containmentsicherheit bereitgestellt werden. Es besteht keine Gefahr, dass Schraubverbindungen, die Einhausungsabschnitte miteinander verbinden, infolge von Scherkräften versagen.
Vielmehr werden die Scherkräfte von den Scherkraftaufnahmeelementen 23, die mit einem Einhausungsabschnitt insbesondere durch Verschweißen verbunden sind und sich durch Ausnehmungen in einem angrenzenden Einhausungsabschnitt erstrecken, aufgenommen.
Die Scherkraftaufnahmeelemente 23 sowie die Schraubverbindungen 22 können im Hinblick auf ihre Funktion ausgelegt bzw. dimensioniert werden. So werden die Scherkraftaufnahmeelemente 23 im Hinblick auf die Aufnahme von Scherkräften dimensioniert bzw. ausgelegt. Die Schraubverbindungen 22 hingegen, welche keinen Scherkräften ausgesetzt sind, können auf ihre Verbindungsfunktion und damit auf die Aufnahme von Zugkräften und Druckkräften ausgelegt werden.
Die Scherkraftaufnahmeelemente 23 können auch als durch Umformung ausgebildete, insbesondere tiefgezogene oder geprägte, Erhebungen bzw. Kuppen des Einhausungsabschnitts 20 ausgebildet sein, die sich durch eine jeweilige Ausnehmung im Einhausungsabschnitt 21 hindurch erstrecken.
Die Scherkraftaufnahmeelemente 23 finden vorzugsweise an der Einhausung eines Turboladers Verwendung. Die Scherkraftaufnahmeelemente 23 können jedoch auch an anderen zu verbindenden Bauteilen eines Turboladers zur Anwendung kommen, so z.B. zur Verbindung eines ersten statorseitigen Elements des Turboladers mit einem zweiten statoseitigen Element des Turboladers und/oder zur Verbindung eines ersten rotorseitigen Elements des Turboladers mit einem zweiten rotorseitigen Element des Turboladers. Es kann auf die obigen Ausführungen verwiesen werden.
Bezugszeichenliste

1: Turbolader
2: Turbine
3: Verdichter
4: Turbinengehäuse
5: Turbinenrotor
6: Verdichtergehäuse
7: Verdichterrotor
8: Welle
9: Lagergehäuse
10: Schalldämpfer
11: Zuströmgehäuse
12: Abströmgehäuse
13: Einsatzstück
14: Laufschaufel
15: Düsenring
16: Dichtdeckel
17: Befestigungseinrichtung
18: Einhausung
19: Einhausungsabschnitt
20: Einhausungsabschnitt
21: Einhausungsabschnitt
22: Schraubverbindung
23: Scherkraftaufnahmeelement
24: Schweißnaht
25: Ausnehmung
26: Berstkraft
27: Scherkraft

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102013013571 A1 [0004]

Claims

Turbolader (1), mit einer Turbine (2) zur Entspannung eines ersten Mediums, wobei die Turbine (2) ein Turbinengehäuse (4) und einen Turbinenrotor (5) aufweist, mit einem Verdichter (3) zur Verdichtung eines zweiten Mediums unter Nutzung von in der Turbine (2) bei Entspannung des ersten Mediums gewonnener Energie, wobei der Verdichter (3) ein Verdichtergehäuse (6) und einen mit dem Turbinenrotor (5) über eine Welle (8) gekoppelten Verdichterrotor (7) aufweist, wobei das Turbinengehäuse (4) und das Verdichtergehäuse (6) jeweils mit einem zwischen denselben angeordneten Lagergehäuse (9), in welchem die Welle (8) gelagert ist, verbunden sind, mit einer das Turbinengehäuse (4) und/oder das Verdichtergehäuse (6) und/oder das Lagergehäuse (9) zumindest abschnittsweise umgebenden Einhausung (18), die zumindest aus einem ersten Einhausungsabschnitt (20) und einem zweiten Einhausungsabschnitt (21) gebildet ist, die über Schraubverbindungen (22) miteinander verbundenen sind, dadurch gekennzeichnet, dass an dem ersten Einhausungsabschnitt (20) Scherkraftaufnahmeelemente (23) ausgebildet oder befestigt sind, die sich durch den zweiten Einhausungsabschnitt (21) erstrecken und im Falle des Auftretens von Scherkräften die Scherkräfte aufnehmen und so die Schraubverbindungen (22) von den Scherkräften entlasten.
Turbolader nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Scherkraftaufnahmeelemente (23) benachbart zu den Schraubverbindungen (22) angeordnet sind.
Turbolader nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich jeder Schraubverbindung (22) ein Scherkraftaufnahmeelement (23) angeordnet ist.
Turbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das jeweilige Scherkraftaufnahmeelement (23) seitlich neben einer Schraubverbindung (22) angeordnet ist.
Turbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das jeweilige Scherkraftaufnahmeelement (23) um eine Schraubverbindung (22) herum angeordnet ist.
Turbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das jeweilige Scherkraftaufnahmeelement (23) ringförmig ausgebildet ist.
Turbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das jeweilige Scherkraftaufnahmeelement (23) kreisrund oder oval oder eckig konturiert ist.
Turbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das jeweilige Scherkraftaufnahmeelement (23) mit dem ersten Einhausungsabschnitt (20) verschweißt ist und sich durch eine Ausnehmung (25) im zweiten Einhausungsabschnitt (21) hindurch erstreckt.
Turbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das jeweilige Scherkraftaufnahmeelement (23) als Erhebung des Einhausungsabschnitts (20) ausgebildet ist und sich durch eine Ausnehmung (25) im zweiten Einhausungsabschnitt (21) hindurch erstreckt.
Turbolader (1), mit einer Turbine (2) zur Entspannung eines ersten Mediums, wobei die Turbine (2) ein Turbinengehäuse (4) und einen Turbinenrotor (5) aufweist, mit einem Verdichter (3) zur Verdichtung eines zweiten Mediums unter Nutzung von in der Turbine (2) bei Entspannung des ersten Mediums gewonnener Energie, wobei der Verdichter (3) ein Verdichtergehäuse (6) und einen mit dem Turbinenrotor (5) über eine Welle (8) gekoppelten Verdichterrotor (7) aufweist, wobei das Turbinengehäuse (4) und das Verdichtergehäuse (6) jeweils mit einem zwischen denselben angeordneten Lagergehäuse (9), in welchem die Welle (8) gelagert ist, verbunden sind, wobei ein erstes statorseitiges Element des Turboladers mit einem zweiten statoseitigen Element des Turboladers und/oder ein erstes rotorseitiges Element des Turboladers mit einem zweiten rotorseitigen Element des Turboladers über Schraubverbindungen (22) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass an dem ersten Element (20) Scherkraftaufnahmeelemente (23) ausgebildet oder befestigt sind, die sich durch das zweite Element (20) erstrecken und im Falle des Auftretens von Scherkräften die Scherkräfte aufnehmen und so die Schraubverbindungen (22) von den Scherkräften entlasten.
Turbolader nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch Scherkraftaufnahmeelemente (23) nach einem der Anspruche 2 bis 9.