DE112013001882T5

DE112013001882T5 - Axialturbine mit Sicherheitsummantelung

Info

Publication number: DE112013001882T5
Application number: DE112013001882.9T
Authority: DE
Inventors: Nagamohan Govinahalli Prabhakar; Daniel Edward Loringer; Lukas Johnson; Subramanya Shankar; Andrew Theogift Jeyanth Selwyn Viktor; Suresha Kumar Panambur
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: Transportation IP Holdings LLC
Priority date: 2012-04-05
Filing date: 2013-03-13
Publication date: 2015-02-26
Also published as: US20130266428A1; CN104220707A; WO2013151693A1; US9546563B2; CN104220707B

Abstract

Es sind verschiedene Verfahren und Systeme für eine Axialturbine mit einer Sicherheitsummantelung geschaffen. In einem Beispiel weist eine Axialturbine zur Verwendung in einem Antriebssystem eine Turbinenscheibe/-blisk und eine Ummantelung auf, die die Turbinenscheibe/-blisk aufnimmt, wobei sie Ummantelung einen ersten Bereich, einen zweiten Bereich und einen dritten Bereich aufweist. Eine Dicke des zweiten Bereichs hängt von einer Länge zwischen dem ersten Bereich und dem dritten Bereich ab, und der dritte Bereich weist eine Berstfestigkeit auf, die bei einem Berstzustand ein oder mehrere Bruchstücke der Turbinenscheibe/-blisk zurückhält.

Description

GEBIET
Ausführungsformen des hierin offenbarten Gegenstands betreffen Turbolader. Weitere Ausführungsformen betreffen eine Ummantelung für eine Turbine.
HINTERGRUND
Turbolader können in einem Motor- bzw. Triebwerksystem verwendet werden, um einen Druck der dem Triebwerk (bzw. Motor) zur Verbrennung zugeführten Luft zu erhöhen. In einem Beispiel weist ein Turbolader eine Turbine auf, die mit einem Abgasdurchgang des Triebwerks gekoppelt ist, der zumindest teilweise einen Verdichter über eine Welle antreibt, um den Druck der Einlassluft zu erhöhen. Das durch die Turbine hindurchströmende Abgas dreht die Laufschaufeln einer mit der Welle gekoppelten Turbinenscheibe. Die Leistung der Turbinenscheibenanordnung (mit Laufschaufeln versehenen Scheibenanordnung) oder Turbinenblisk (integralen Scheibe mit Laufschaufeln) kann durch eine Steuerung des Laufschaufelspitzenspalts zwischen den Laufschaufeln/Schaufeln und einer Turbinenummantelung erzielt werden. Abhängig von den Betriebsbedingungen kann die Turbinenscheibe bei Geschwindigkeiten rotieren, die 25.000 Umdrehungen pro Minute (UPM) übersteigen können. Im Falle einer Beeinträchtigung der Turbine, die zum Freisetzen von Teilen oder der Gesamtheit der Turbinenscheibe führt, kann der Turbine als auch anderen Systemkomponenten in der Nähe der Turbine ein katastrophaler Schaden zugeführt werden, wenn die freigesetzten Bruchstücke der Turbinenscheibe nicht zurückgehalten werden.
Zum Rückhalten einer freigesetzten Turbinenscheibe kann die Turbinenummantelung, die typischerweise zur Erzielung einer Turbinenleistung entworfen ist, entworfen sein, um den Aufprall jeglicher Scheibenbruchstücke zu absorbieren. Material- und Platzzwänge können jedoch Bereiche der Ummantelung zur Folge haben, die nicht in der Lage sind, dem Aufprall einer hochenergetischen Bruchstückfreisetzung standzuhalten, insbesondere wenn die Ummantelung hohen Temperaturen ausgesetzt ist, die in dem Abgas einer Turbine vorhanden sind.
KURZBESCHREIBUNG
In einer Ausführungsform weist eine Axialturbine zur Verwendung in einem Antriebssystem eine Turbinenscheibe/-blisk und eine Ummantelung auf, die die Turbinenscheibe/-blisk aufnimmt, wobei die Ummantelung einen ersten Bereich, einen zweiten Bereich und einen dritten Bereich aufweist. Eine Dicke des zweiten Bereichs hängt von einer Länge zwischen dem ersten Bereich und dem dritten Bereich ab und der dritte Bereich weist eine Berstfestigkeit auf, die in einem Berstzustand ein oder mehrere Bruchstücke der Turbinenscheibe/-blisk zurückhält.
Auf diese Weise kann die Ummantelung eine Berstfestigkeit in dem der Turbinenscheibe nahen Bereich aufweisen, die optimiert ist, um eine hochenergetische Bruchstückfreisetzung, die während eines Berstzustands auftreten kann, aufzunehmen. Die Berstfestigkeit kann eine Funktion der Dicke des dritten Bereichs sein. In einigen Ausführungsformen kann die Ummantelung ferner ein Material mit einem relativ hohen Zähigkeitsmodul bei hohen Temperaturen aufweisen. Durch Erhöhung der Zähigkeit und der Dicke des in der Nähe der Turbinenscheibe befindlichen Bereichs der Ummantelung, kann die Freisetzung hochenergetischer Bruchstücke aus der Ummantelung heraus vermieden werden.
Es dürfte sich verstehen, dass die vorstehende Kurzbeschreibung zur Einführung einer Auswahl von Konzepten in einer vereinfachten Form vorgesehen ist, die ferner in der detaillierten Beschreibung beschrieben werden. Sie ist nicht dafür gedacht, Schlüsselmerkmale oder wichtige Merkmale des beanspruchten Gegenstandes zu identifizieren, dessen Schutzumfang einzig durch die Ansprüche definiert ist, die der detaillierten Beschreibung folgen. Ferner ist der beanspruchte Gegenstand nicht auf Implementierungen beschränkt, die irgendwelche vorstehend oder in irgendeinem Teil dieser Offenbarung angegebenen Nachteile lösen.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die vorliegende Erfindung wird beim Lesen der nachstehenden Beschreibung nicht beschränkender Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen verständlicher, wobei nachstehend:
1 zeigt eine schematisches Darstellung einer beispielhaften Ausführungsform eines Fahrzeugs mit einem Turbolader gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
2 zeigt eine Querschnittsansicht eines Turboladers gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
3 zeigt eine Querschnittsansicht einer ersten Turbinenummantelung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
4 zeigt eine Querschnittsansicht einer zweiten Turbinenummantelung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
5 zeigt eine Querschnittsansicht einer dritten Turbinenummantelung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
6 ist ein Diagramm, das einen beispielhaften Energiefluss während einer hochenergetischen Scheibenbruchstückfreisetzung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
7A und 7B sind Diagramme, die die kinetische Energie während eines Berstzustands veranschaulichen.
8 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zur Herstellung einer Ummantelung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Die nachstehende Beschreibung betrifft verschiedene Ausführungsformen einer Ummantelung für eine Turbine. Die Ummantelung kann mit dem Gehäuse der Turbine gekoppelt sein und sich längs des Umfangs erstrecken, um eine Turbinenscheibe der Turbine zu umgeben. Abhängig von den Zwängen der Turbine, in der sie angeordnet ist, kann die Ummantelung nahe an (z. B. gerade radial außen von) der Turbinenscheibe einen Rückhalte- bzw. Sicherheitsbereich mit erhöhter Berstfestigkeit aufweisen. Die Dicke dieses Bereichs kann optimiert oder anderweitig konfiguriert sein, um eine Berstfestigkeit zu schaffen, die eine hochenergetische Bruchstückfreisetzung aufnehmen kann. Ferner kann die Ummantelung ein Material aufweisen, das eine höhere Festigkeit bei erhöhten Temperaturen aufweist als bisherige Mantelmaterialien. Die Ummantelung kann auch optimiert oder anderweitig hinsichtlich der Dicke eines Übergangsbereichs benachbart zu dem Sicherheitsbereich konfiguriert sein, um der der Ummantelung auferlegten Belastung standzuhalten und die strukturelle Integrität der Ummantelung zu verbessern.
In einer Ausführungsform kann die Ummantelung in einem Turbolader untergebracht sein, der mit einem Motor in einem Fahrzeug gekoppelt ist. Ein Lokomotivensystem wird als ein Beispiel eines der Fahrzeugtypen verwendet, die einen Motor haben, an welchem ein Turbolader oder ein Mehrfachturbolader angebracht sein kann. Andere Fahrzeugtypen können andere Arten von Schienenfahrzeugen, Straßenfahrzeugen und geländegängigen Fahrzeugen außer den Schienenfahrzeugen, wie z. B. Bergbauausrüstung und Schiffe, beinhalten. Weitere Ausführungsformen der Erfindung können für Turbolader verwendet werden, die mit stationären Antrieben verbunden sind. Der Antrieb kann ein Dieselmotor sein oder kann einen anderen Kraftstoff oder eine Kombination von Kraftstoffen verbrennen. Derartige alternative Kraftstoffe können Benzin, Kerosin, Biodiesel, Erdgas und Ethanol umfassen. Geeignete Motoren können eine Kompressionszündung und/oder Funkenzündung nutzen.
1 stellt eine Blockdarstellung einer exemplarischen Ausführungsform eines Fahrzeugsystems 100 (z. B. eines Lokomotivensystems) dar, das hierin als ein Schienenfahrzeug 106 dargestellt ist, das zum Fahren auf einer Schiene 102 mittels mehrerer Räder 112 eingerichtet ist. Wie dargestellt, enthält das Schienenfahrzeug 106 ein Antriebssystem mit einem Motor 104.
Der Motor 104 nimmt Einlassluft zur Verbrennung aus einem Einlasskanal 114 auf. Der Einlasskanal 114 erhält Luft aus einem (nicht dargestellten) Luftfilter, der Luft von außerhalb des Schienenfahrzeugs 106 filtert. Aus der Verbrennung in dem Motor 104 entstehendes Abgas wird einem Abgaskanal 116 zugeführt. Das Abgas strömt durch den Abgaskanal 116 und aus einem Abgasschacht des Schienenfahrzeugs 106 heraus.
Das Antriebssystem enthält einen Turbolader 120 (”TURBO”), der zwischen dem Einlasskanal 114 und dem Abgaskanal 116 angeordnet ist. Der Turbolader 120 erhöht die Luftbefüllung mit in den Einlasskanal 114 eingesaugter Umgebungsluft, um eine größere Ladedichte während der Verbrennung zum Erhöhen der Motorausgangsleistung und/oder des Motorarbeitswirkungsgrades bereitzustellen. Der Turbolader 120 kann einen (in 1 nicht dargestellten) Verdichter enthalten, welcher wenigstens teilweise durch eine (in 1 nicht dargestellte) Turbine angetrieben wird. Obwohl in diesem Falle nur ein Einfach-Turbolader dargestellt ist, kann das System mehrere Turbinen- und/oder Verdichterstufen enthalten. Der Turbolader wird nachstehend detaillierter unter Bezugnahme auf 2 beschrieben.
In einigen Ausführungsformen kann das Fahrzeugsystem 100 ferner ein in den Abgaskanal stromaufwärts oder stromabwärts von dem Turbolader 120 eingefügtes Abgasbehandlungssystem enthalten. In einer Beispielausführungsform kann das Abgasbehandlungssystem einen Dieseloxidationskatalysator (DOC) und einen Dieselpartikelfilter (DPF) enthalten. In weiteren Ausführungsformen kann das Abgasbehandlungssystem zusätzlich oder alternativ eine oder mehrere Emissionssteuerungsvorrichtungen enthalten. Derartige Emissionssteuerungsvorrichtungen können einen selektiven katalytischen Reduktions-(SCR)-Katalysator, einen Drei-Wege-Katalysator, einen NOx-Abscheider oder verschiedene andere Vorrichtungen oder Systeme beinhalten.
Das Schienenfahrzeug 106 enthält ferner eine Steuerungsvorrichtung 148 zum Steuern verschiedener Komponenten in Verbindung mit dem Fahrzeugsystem 100. In einem Beispiel enthält die Steuerungsvorrichtung 148 ein Computersteuerungssystem. Die Steuerungsvorrichtung 148 kann ferner (nicht dargestellte) computerlesbare Speichermedien mit einem Code zum Ermöglichen einer Bordüberwachung und Steuerung des Schienenfahrzeugbetriebs enthalten. Die Steuerungsvorrichtung 148 kann, während sie die Steuerung und Verwaltung des Fahrzeugsystems 100 überwacht, für den Empfang von Signalen von vielfältigen Motorsensoren 150 eingerichtet sein, wie hierin nachstehend weiter ausgeführt, um Betriebsparameter und Betriebsbedingungen zu ermitteln und entsprechend verschiedene Motoraktuatoren 152 anzupassen, um den Betrieb des Schienenfahrzeugs 106 zu steuern. Beispielsweise kann die Steuerungsvorrichtung 148 Signale von verschiedenen Motorsensoren 150 empfangen, welche, jedoch nicht darauf beschränkt, Motordrehzahl, Motorlast, Ladedruck, Abgasdruck, Umgebungsdruck, Abgastemperatur usw. enthalten. Demzufolge kann die Steuerungsvorrichtung 148 das Fahrzeugsystem 100 steuern, indem sie Befehle an verschiedene Komponenten, wie z. B. Traktionsmotoren, Generatoren, Zylinderventile, Drosselklappe usw., sendet.
In einer Ausführungsform kann die Steuerungsvorrichtung ein Kommunikationssystem zum Melden entweder einer Durchflussmessvorrichtungsausgabe oder einer ermittelten Beeinträchtigung des Turboladers oder von beidem auf der Basis einer Messung des Drucks oder des Durchflusses, wie durch die Durchflussmessvorrichtung erzeugt, enthalten, wie es nachstehend detaillierter beschrieben wird.
2 stellt einen Querschnitt einer beispielhaften Ausführungsform eines Turboladers 200 dar, der mit einem Motor verbunden sein kann, wie z. B. des vorstehend unter Bezugnahme auf 1 beschriebenen Turboladers 120. In einem Beispiel kann der Turbolader an den Motor angeschraubt sein. In einem weiteren Beispiel kann der Turbolader 200 zwischen dem Abgaskanal und dem Einlasskanal des Motors eingefügt sein. In weiteren Beispielen kann der Turbolader auf eine beliebige andere geeignete Weise mit dem Motor verbunden sein.
Der Turbolader 200 enthält eine Turbinenstufe 202 und einen Verdichter 204. Abgase aus dem Motor passieren die Turbinenstufe 202, und Energie aus den Abgasen wird in kinetische Drehenergie zum Drehen einer Welle 206 umgewandelt, welche wiederum den Verdichter 204 antreibt. Umgebungseinlassluft wird verdichtet (z. B. der Druck der Luft wird erhöht), während sie durch den rotierenden Verdichter 204 eingesaugt wird, so dass eine größere Luftmasse an die Zylinder des Motors geliefert werden kann.
Der Turbolader enthält ein Gehäuse 210. In einigen Ausführungsformen können die Turbinenstufe 202 und der Verdichter 204 getrennte Gehäuse haben, welche miteinander beispielsweise so verschraubt sind, dass eine einzige Einheit (z. B. der Turbolader 200) gebildet wird. Beispielsweise kann der Turbolader ein aus Gusseisen bestehendes Gehäuse haben, und der Verdichter kann ein aus einer Aluminiumlegierung bestehendes Gehäuse haben.
Der Turbolader 200 enthält ferner Lager 208 zum Lagern der Welle 206 dergestalt, dass die Welle mit einer hohen Drehzahl mit verringerter Reibung rotieren kann. Wie in 2 dargestellt, enthält der Turbolader 200 ferner zwei berührungslose Dichtungen (z. B. Labyrinthdichtungen), eine zwischen einer Ölhohlkammer 212 und der Turbine 202 positionierte Turbinenlabyrinthdichtung 214 und eine zwischen der Ölhohlkammer 212 und dem Verdichter 204 positionierte Verdichterlabyrinthdichtung 216.
Abgas kann durch einen Einlass, wie z. B. einen Gaseinlassübergangsbereich 220 eintreten und über ein Mundstück 222 verlaufen. Ein Leitapparatring 224 kann flügelförmig geformte Leitschaufeln enthalten, die in Umfangsrichtung angeordnet sind, um eine vollständige 360°-Baugruppe auszubilden. Der Leitapparatring 224 kann dazu dienen, das Abgas optimal auf eine Turbinenscheiben/Laufschaufel-Anordnung zu richten, die Laufschaufeln 226 und eine mit der Welle 206 verbundene Turbinenscheibe 228 enthält. In einigen Ausführungsformen können die Turbinenscheibe und die Laufschaufeln eine integrale Komponente sein, die als eine Turbinenblisk bekannt ist.
Die Laufschaufeln 226 können flügelförmige Laufschaufeln sein, die sich von der Turbinenscheibe 228 aus nach außen erstrecken, welche um die Mittellinienachse des Motors rotiert. Ein ringförmiger Mantel 230 ist mit dem Gehäuse an einem Mantelbefestigungsflansch 232 verbunden und so angeordnet, dass er die Laufschaufeln 226 eng umgibt und dadurch eine Strömungspfadbegrenzung für den durch die Turbinenstufe 202 strömenden Abgasstrom definiert.
Die Turbinenstufe 202 ist eine Axialturbine, da der Abgasstrom auf die Turbinenschaufeln in einer axialen Richtung bezüglich der Mittellinienachse des Motors auftrifft. In einigen Ausführungsformen kann die Turbinenstufe 202 jedoch eine Radialturbine sein. Ferner ist der Turbolader 200 als ein einstufiger Turbolader dargestellt, d. h. es sind lediglich eine Turbine und ein Verdichter vorhanden. Mehrstufige Turbolader, die mehr als eine einzige Turbine und mehr als einen einigen Verdichter enthalten, liegen auch im Rahmen der Offenbarung.
3–5 zeigen verschiedene Ausführungsformen einer Ummantelung, die in einer Turbine, wie z. B. der Turbinenstufe 202 in 2, untergebracht ist (eine oder mehr der Ausführungsformen können z. B. für den in 2 gezeigten ringförmigen Mantel 230 verwendet werden). Jede der in 3–5 gezeigten Ummantelungen weist eine Berstfestigkeit auf, die optimiert oder anderweitig eingerichtet ist, um einem Aufprall eines hochenergetischen Bruchstücks, wie z. B. eines Bruchstücks einer Turbinenscheibe, einer Laufschaufel oder einer Blisk standzuhalten, die während eines Berstzustands der Turbine freigesetzt werden können. Berstzustände können auftreten, wenn eine Fehlfunktion der Turbinenstruktur vorliegt, oder aufgrund des Eindringens von Fremdobjekten in eine Turbinen hinein. In einigen Berstzuständen, kann ein Bruchstück der Turbinenscheibe/-blisk zunächst freigesetzt werden, und das Freisetzen des ersten Bruchstücks kann zusätzliche Bruchstücke der Scheibe/Blisk veranlassen, freigesetzt zu werden. In einigen Ausführungsformen kann die gesamte Scheibe/Blisk während eines Berstzustands freigesetzt werden. (Deshalb bezieht sich „Berstzustand” auf einen Zustand, bei dem eine Turbine, z. B. bei maximalen UPM oder anderweitig, arbeitet, und die gesamte Scheibe/Blisk oder deren Teil derselben einem unbeabsichtigten Freisetzen unterliegen, so dass sie mit der Ummantelung in Kontakt tritt). Insbesondere kann jede Ummantelung eine erhöhte Berstfestigkeit aufweisen, die eine Funktion einer Zone erhöhter Dicke der die Turbinenscheibe/-blisk umgebenden Ummantelung ist (d. h. die Berstfestigkeit der die Turbinenscheibe/-blisk umgebenden Ummantelung ist aufgrund ihrer größeren Dicke relativ zu einem dünneren Material erhöht) und/oder als Funktion eines Zähigkeitsmoduls (das eine Funktion der endgültigen Zugfestigkeit, Streckgrenze und/oder prozentuellen Dehnung bis zum Reißen oder Bruchdehnung sein kann) des Materials, das die Ummantelung aufweist (d. h. die Berstfestigkeit der die Turbinenscheibe/-blisk umgebenden Ummantelung wird aufgrund des Materials der Ummantelung in diesem Bereich, das ein Zähigkeitsmodul aufweist, das relativ zu einem anderen Material mit niedrigerem Zähigkeitsmodul größer ist, erhöht/größer). Die erhöhte Berstfestigkeit der Ummantelung kann das eine oder die mehreren Bruchstücke der Turbinenscheibe/-blisk innerhalb der Ummantelung zurückhalten, wodurch deren Freisetzen auf andere Komponenten und/oder des Motors verhindert wird.
Jede Ummantelung ist auch optimiert oder anderweitig eingerichtet, um den Zwängen der Turbine, in der sie untergebracht ist, gerecht zu werden. Beispielsweise kann eine Ummantelung in einer Niederdruckturbine oder einer Hochdruckturbine oder in einem einstufigen oder mehrstufigen Turbolader oder einem anderen geeigneten Turbolader aufgenommen sein.
Zusätzlich kann die Ummantelung bei der Turbinenleistung unterstützen, indem sie einen Spaltabstandsbereich für die Turbinenscheiben-/-bliskschaufel (z. B. 318, 418, 518) schafft, um den Abgasstrom in der Turbine zu lenken. Die Ummantelung kann beispielsweise derart eingerichtet sein, dass ein Spielraum zwischen der Ummantelung und der Turbinenscheibe/-blisk geschaffen ist. Dieser Spielraum definiert die Strömungspfadgrenze für den Abgasstrom, der durch die Turbinenstufe strömt, und die Größe des Laufschaufelspielraumbereichs kann an sich festgelegt werden, um eine gewünschte Leistung der Turbinenscheibe/-blisk, wie z. B. maximale Turbinendrehzahl, Druckabfall, usw., zu erzielen. Die Turbinenummantelung kann somit sowohl eine verbesserte Turbinenleistung als auch eine Absorption des Aufpralls jeglicher freigesetzter Scheibenbruchstücke ermöglichen.
Während auf die in den 3–5 dargestellten Ausführungsformen der Ummantelung sowie auf andere Beschreibung der Ummantelung der vorliegenden Offenbarung Bezug genommen wird, wird der Begriff „Turbinenscheibe” verwendet, um, ohne den Umfang der Offenbarung zu verlassen, entweder eine mit Laufschaufeln versehene Turbinenscheibenanordnung oder eine integrale Turbinenblisk zu bezeichnen. Ferner kann der Begriff ”Turbinenscheibe/-blisk” sowohl eine Turbinenscheibe und Laufschaufeln als auch eine einteilige Turbinenblisk bezeichnen. Somit bezieht sich ”Turbinenscheibe/-blisk”, wie hierin verwendet, auf eine Turbinenscheibe, eine Turbinenblisk oder eine andere Vorrichtung, deren Funktion es ist, eine Turboladerwelle mit Hilfe eines Abgastroms zu bewegen.
3 zeigt die obere Hälfte einer Querschnittsansicht einer Ummantelung 300 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung. (Es sollte erkannt werden, dass die Ansichten der 3–5 radiale Querschnitte zeigen, bei denen ein Bereich entlang einer Ebene geschnitten wurde, die mit einer Längsachse der ringförmigen Ummantelung übereinstimmt (die Achse liegt innerhalb der Ebene)). Die Ummantelung 300 kann in einer Turbine, wie z. B. der Turbine 202 nach 2, untergebracht sein; die Ummantelung 300 stellt ein nicht beschränkendes Beispiel einer Ummantelung 230 der 2 dar. Die Ummantelung 300 kann in einem nicht beschränkenden Beispiel in einem einstufigen Turbolader aufgenommen sein. Alternativ kann die Ummantelung 300 in einem anderen geeigneten Turbolader aufgenommen sein.
Die Ummantelung 300 weist einen ersten Bereich 302, einen zweiten Bereich 304 und einen dritten Bereich 306 auf. Der erste Bereich 302, der zweite Bereich 304 und der dritte Bereich 306 können durch die Funktion und/oder die Nähe zu einer Turbinenscheibe, die innerhalb der Ummantelung 300 untergebracht ist, definiert sein. Der erste Bereich 302 kann ein Montagebereich sein, der eingerichtet ist, um die Ummantelung 300 an ein Gehäuse der Turbine zu koppeln, und ist von der Turbinenscheibe entfernt angeordnet (eine Laufschaufel 226 der Turbinenscheibe ist in 3 veranschaulicht). In Ausführungsformen ist eine lange Achse des ersten Bereichs 302 (parallel zur in 3 gezeigten Linie 312) im Wesentlichen senkrecht zur Längsachse der Ummantelung 300 (parallel zur in 3 gezeigten Linie 314 oder 316) angeordnet, wodurch ein ringförmiger Flansch zur Montage der Ummantelung geschaffen ist. Der erste Bereich 302 kann ein oder mehrere Montagelöcher zur Durchführung von Bolzen oder anderen Befestigungsmitteln definieren, um die Ummantelung an eine Halterung zu montieren. Der erste Bereich 302 kann in den zweiten Bereich 304 hineinragen. D. h., in einigen Ausführungsformen können der erste Bereich und der zweite Bereich einander überlappen. In anderen Ausführungsformen können jedoch der erste und der zweite Bereich einander nicht überlappen, sondern der erste Bereich kann dort enden, wo der zweite Bereich beginnt. Der zweite Bereich 304 kann ein Übergangsbereich sein, der zwischen dem ersten Bereich 302 und dem dritten Bereich 306 angeordnet ist. Der zweite Bereich 304 kann sich in den dritten Bereich 306 hinein erstrecken oder kann sich nicht in den dritten Bereich 306 hinein erstrecken. Der dritte Bereich 306 kann ein Berstsicherheitsbereich sein, der eingerichtet ist, um eine Turbinenscheibe zu umgeben. Der dritte Bereich 306 ist in der Nähe der Laufschaufel 226 der Turbinenscheibe angeordnet. Der dritte Bereich 306 kann somit von der Turbinenscheibe radial außen von der Turbinenscheibe positioniert sein, so dass die Trümmer, die von der Turbine radial nach außen fliegen, auf die Ummantelung auftreffen werden.
Der erste Bereich 302, der zweite Bereich 304 und der dritte Bereich 306 können aus einem integralen Materialstück geschaffen sein. Alternativ oder zusätzlich kann die Ummantelung 300 eine einschichtige Ummantelung sein. Durch die Verwendung eines einzigen, integralen Materialstücks für die Ummantelung können strukturelle Schwachstellen, wie z. B. dort, wo sich mehrere Materialstücke miteinander verbunden sind, reduziert werden. Die Ummantelung 300 kann jedoch auch aus mehr als einem einzigen Materialstück geschaffen sein oder kann eine mehrschichtige Ummantelung sein oder kann eine andere geeignete Anordnung sein. Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung kann sich eine einschichtige Ummantelung lediglich auf eine einzige, integrale Materialschicht in radialer Richtung von der Laufschaufel 226 aus beziehen, die wesentlich zur Rückhaltung während eines Berstzustands beiträgt. (In einer Ausführungsform bedeutet wesentlich 0.5% oder mehr; in einer weiteren Ausführungsform bedeutet wesentlich 1% oder mehr; in einer weiteren Ausführungsform bedeutet wesentlich 5% oder mehr.) Eine einzelne, integrale Materialschicht in der radialen Richtung könnte somit z. B. mit Farbe und/oder einer Antikorrosionsbeschichtung beschichtet sein und immer noch als eine einschichtige Ummantelung betrachtet werden, wenn die Farbe und/oder die Antikorrosionsbeschichtung nicht wesentlich zur Rückhaltung beitragen würde.
Die Ummantelung 300 weist eine Gesamtlänge 308 auf, die sich von dem Anfang des ersten Bereichs bis zum Ende des dritten Bereichs erstreckt. Die Gesamtlänge 308 der Ummantelung 300 basiert auf der Entfernung von dem Ummantelungsmontageflansch der Turbine bis zu der Turbinenlaufschaufel der Turbine, so dass sich die Ummantelung im Wesentlichen um das Mundstück, den Leitapparatring und die Turbinenscheibe der Turbine herum erstrecken kann. In der dargestellten Ausführungsform kann die Ummantelung 300 eine Gesamtlänge 308 im Bereich von 20–23 cm aufweisen. Die Ummantelung kann beispielsweise eine Gesamtlänge von 21,4 cm aufweisen. Die Gesamtlänge kann jedoch im Bereich von 12–25 cm liegen, aber andere geeignete Längen liegen ebenfalls im Umfang dieser Offenbarung.
Die Ummantelung kann in ihrer Dicke variieren, um die Rückhaltfähigkeit oder Berstaufnahmefestigkeit bei gleichzeitigem Aufrechterhalten der Leistung innerhalb der Beschränkungen der Turbine zu optimieren (oder gegenüber Ummantelungen, die in ihrer Dicke nicht variieren, anderweitig zu verbessern). Somit kann, wie nachstehend detaillierter beschrieben, beispielsweise der zweite Bereich 304 eine minimale Dicke im Wesentlichen in Radialrichtung (siehe 310 in 3) aufweisen, die geringer als eine Dicke des dritten Bereichs 306 ist, der radial außen von der Laufschaufel 226 liegt (siehe 312). In anderen Worten kann der radial schmalste Teil des zweiten Bereichs dünner als die Dicke des dritten Bereichs außerhalb der Laufschaufel 226 sein.
Der zweite Bereich weist eine Dicke 310 auf, die optimiert (oder anderweitig eingerichtet ist), um die Last, die der Ummantelung, z. B. durch den dritten Bereich, auferlegt wird, aufzunehmen. In einem Beispiel kann die Dicke in dem Bereich von 0,8–1,2 cm liegen. Andere Bereiche der Dicke sind ebenso möglich, wie z. B. 0,1–2,5 cm oder ein anderer geeigneter Bereich.
Der dritte Bereich 306 kann eine vertikale oder Sicherheitsdicke 312 aufweisen (d. h. eine Dicke, die sich von der Längsachse der Ummantelung und den Laufschaufeln 226 radial nach außen erstreckt), die eingerichtet ist, um das Freisetzen der Turbinenscheibenbruchstücke während eines Berstzustands aufzunehmen. Die Dicke 312 kann optimiert (oder anderweitig eingerichtet) sein, um dem Aufprall einer hochenergetischen Turbinenscheibenbruchstückfreisetzung standzuhalten, um das Bruchstück daran zu hindern, die Nähe der Ummantelung zu verlassen. Die Sicherheitsdicke 312 kann im Bereich von 3,5–5 cm oder in einem anderen geeigneten Bereich liegen. In einem weiteren Beispiel kann die Sicherheitsdicke im Bereich von 4,3–4,8 cm liegen. Die Sicherheitsdicke 312 kann in einer Sicherheitszone 315 des dritten Bereichs 306 enthalten sein, der direkt um die Turbinenschaufeln 226 herum angeordnet ist; wobei sich die Sicherheitszone axial um eine Strecke über die Laufschaufeln 226 hinweg an jeder Seite der Laufschaufeln erstrecken kann. Die Sicherheitszone 315 kann eine horizontale (axiale) Länge von 3,8 cm, im Bereich von 2,5–5 cm oder eine andere geeignete Länge aufweisen. In einem Beispiel kann die Sicherheitszone eine Länge von 4,3 cm aufweisen.
Die Dicke 310 des zweiten Bereichs kann abhängig von einer Länge 314 zwischen dem ersten Bereich 302 und dem dritten Bereich 306 gewählt sein. Wenn z. B. die Länge 314 zwischen dem ersten Bereich 302 und dem dritten Bereich 306 steigt, kann die ausgewählte Dicke 310 des zweiten Bereichs abnehmen. In einer beispielhaften Ausführungsform kann die Länge 314 zwischen dem ersten Bereich und dem dritten Bereich die Länge zwischen dem Anfang des ersten Bereichs und dem Anfang der Sicherheitsdickenzone des dritten Bereichs aufweisen und kann im Bereich von 12,5–15,5 cm liegen. Die Länge 314 kann z. B. 15,1 cm betragen. In einem weiteren Beispiel kann die Länge im Bereich von 10–25 cm liegen. Andere Längen liegen ebenfalls im Umfang der Offenbarung. In der dargestellten Ausführungsform ist die Länge 314 zwischen dem ersten Bereich und dem dritten Bereich größer als die Hälfte einer Gesamtlänge 308 der Ummantelung 300. Die Sicherheitsdicke 312 des dritten Bereichs ist größer als die Dicke 310 des zweiten Bereichs. In der dargestellten Ausführungsform ist die Sicherheitsdicke 312 des dritten Bereichs zumindest doppelt so dick wie die Dicke 310 des zweiten Bereichs.
Zusätzlich kann der zweite Bereich 304 an einer Neigung bezüglich einer horizontalen Achse 316 der Ummantelung angeordnet sein. Der zweite Bereich 304 kann unter einem Winkel in dem Bereichs von 0–30° bezüglich der horizontalen Achse 316 der Ummantelung angeordnet sein; d. h., eine lange Achse des zweiten Bereichs (quer zur Dicke 310, die im Wesentlichen radial ausgerichtet ist) kann unter einem Winkel innerhalb des Bereichs von 0–30° bezüglich der horizontalen Achse 316 liegen. In einer Ausführungsform kann der zweite Bereich 304 unter einem Winkel von 10° angeordnet sein. In anderen Ausführungsformen kann er unter einem Winkel von 20° angeordnet sein oder kann unter einem anderen geeigneten Winkel bezüglich der horizontalen Achse angeordnet sein. Die Schräglage des zweiten Bereichs 304 zusammen mit der Länge 314 und der Dicke 310 können den zweiten Bereich 304 mit einer erhöhten Flexibilität versehen, um der Aufprallbelastung standzuhalten, die während eines Berstzustands der Ummantelung auferlegt wird.
Ein Spielraumbereich 318 kann zwischen der Ummantelung 300 und den Laufschaufeln 226 geschaffen sein. Dieser Spielraumbereich 318 verbessert die Leistung durch Leitung des Abgases in einen optimalen Strömungspfad. Der Spielraumbereich 318 kann ein Abstand zwischen der Ummantelung 300 und den Laufschaufeln 226 einer geeigneten Länge, wie z. B. einer Länge (des Abstands zwischen der Ummantelung und den Laufschaufeln) im Bereich von 0,03–0,25 cm sein. In einem nicht beschränkenden Beispiel kann der Spielraumbereich 318 eine Länge von 0,09 cm aufweisen.
Die Fähigkeit der Ummantelung 300, ein hochenergetisches Bruchstück zurückzuhalten, kann eine Funktion der vertikalen Dicke der Sicherheitszone (z. B. der Sicherheitszone 312) und/oder eines Zähigkeitsmoduls des Materials sein, aus dem die Ummantelung konstruiert ist. Das Zähigkeitsmodul (MOT) kann eine Funktion der Streckgrenze, Zugfestigkeit und/oder der prozentualen Dehnung bis zum Reißen des Materials sein. Das MOT des Materials in der Ummantelung kann größer als ein Schwellenwert-MOT bei erhöhten Temperaturen, im Vergleich zu anderen typischerweise in Ummantelungen verwendeten Materialien, sein. Das Schwellenwert-MOT kann im Bereich von 10.000–20.000 Psi oder eines anderen geeigneten Schwellenwerts bei relativ hohen Temperaturen, wie z. B. Temperaturen zwischen 500° und 700°C, liegen. In einem nicht beschränkenden Beispiel kann der Schwellenwert bei einer Temperatur von 500°C 14.000 Psi betragen. Da die Ummantelung hohen Temperaturen ausgesetzt sein kann, können die hohe Zähigkeit und Zugfestigkeit eine erhöhte Fähigkeit schaffen, dem Aufprall eines hochenergetischen Bruchstücks während eines Berstzustands bei hoher Temperatur standzuhalten.
Die Ummantelung 300 kann bearbeiteten rostfreien Stahl aufweisen, der eine erhöhte Festigkeit und/oder Zähigkeit bei hohen Temperaturen relativ zu Ummantelungen aus anderen Materialien aufweisen. In einem Beispiel kann die Ummantelung aus rostfreiem Stahl NITRONIC 50^® bestehen (bearbeitet äquivalent zu CG6MMN Guß-Edelstahl). Andere Materialien, die eine geeignete Festigkeit bei hohen Temperaturen bieten, können jedoch ebenfalls verwendet werden. Tabelle 1 zeigt das MOT von NITRONIC 50^® im Vergleich zu demjenigen von Sphäroguss, der oftmals bei der Konstruktion von Turbinenummantelungen verwendet wird. Wie gezeigt, weist NITRONIC 50^® ein höheres MOT als der Sphäroguss sowohl bei niedrigeren als auch bei höheren Temperaturen auf.

Temperatur (°C) MOT (Psi) von Sphäroguss MOT (Psi) von NITRONIC 50^®

20 11.270 32.428

537 10.180 20.591

649 12.732 17.486

Tabelle 1
4 zeigt die obere Hälfte einer radialen Querschnittsansicht einer ringförmigen Ummantelung 400 gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung. Die Ummantelung 400 kann in einer Turbine aufgenommen sein, wie z. B. der in 2 gezeigten Turbine 202; die Ummantelung 400 ist ein nicht beschränkendes Beispiel der Ummantelung 230 aus 2. Die Ummantelung 400 kann in einem nicht beschränkenden Beispiel in einem einstufigen Turbolader oder in der ersten Stufe eines mehrstufigen Turboladers oder in einem weiteren geeigneten Turbolader aufgenommen sein. Ähnlich wie die unter Bezugnahme auf 3 beschriebene Ummantelung 300 weist die Ummantelung 400 einen ersten Bereich 402, einen zweiten Bereich 404 und einen dritten Bereich 406 auf. Ebenfalls ähnlich der Ummantelung 300 kann der erste Bereich 402 ein Montagebereich sein, der eingerichtet ist, um die Ummantelung 400 an ein Gehäuse der Turbine zu koppeln, und von der Turbinenscheibe entfernt angeordnet ist (eine Laufschaufel 226 der Turbinenscheibe ist in 4 veranschaulicht). Eine lange Achse des ersten Bereichs 402 verläuft im Wesentlichen senkrecht zur Längsachse der Ummantelung, wodurch ein ringförmiger Flansch zur Montage der Ummantelung geschaffen ist. Der zweite Bereich 404 kann ein Übergangsbereich sein, der zwischen dem ersten Bereich 402 und dem dritten Bereich 406 angeordnet ist. Der dritte Bereich 406 kann ein Sicherheitsbereich sein, der eingerichtet ist, um eine Turbinenscheibe zu umgeben. Der dritte Bereich 406 ist nahe der Laufschaufel 226 der Turbinenscheibe angeordnet. Der dritte Bereich 406 kann somit von der Turbinenscheibe radial nach außen angeordnet sein, so dass Trümmer, die von der Turbine radial nach außen gerichtet fliegen, die Ummantelung treffen werden.
Ähnlich der Ummantelung 300 können der erste Bereich 402, der zweite Bereich 404 und der dritte Bereich 406 aus einem integralen Materialstück geschaffen sein oder können aus mehr als einem Materialstück geschaffen sein. Alternativ oder zusätzlich kann die Ummantelung 400 eine einschichtige Ummantelung, eine mehrschichtige Ummantelung sein oder eine andere geeignete Anordnung aufweisen.
Die Ummantelung 400 weist eine Gesamtlänge 408 von Anfang des ersten Bereichs bis zum Ende der Ummantelung auf, die sich in dieser Ausführungsform aufgrund eines Abgasdiffusors 420, der zur Erhöhung der Turbinenleistung eine Anpassung des Abgastroms ermöglich, über den dritten Bereich hinaus erstreckt. In einer Ausführungsform kann die Ummantelung 400 eine Gesamtlänge 408 im Bereich von 17,5–20,5 cm aufweisen. In einem Beispiel kann die Ummantelung 400 eine Länge von 18,3 cm aufweisen. Andere geeignete Längen, wie z. B. 12,5–25 cm, liegen jedoch ebenfalls innerhalb des Umfangs der Offenbarung.
Der zweite Bereich 404 der Ummantelung 400 weist eine Dicke 410 auf, die optimiert (oder anderweitig eingerichtet) sein kann, um die auf die Ummantelung einwirkende Last aufzunehmen. In einem Beispiel kann die Dicke 410 im Bereich von 3,5–4,1 cm liegen. In einem weiteren Beispiel kann die Dicke im Bereich von 2,5–5 cm oder in anderen geeigneten Bereichen liegen. Ähnlich der Ummantelung 300 kann die Ummantelung 400 eine vertikale Dicke 412 oder Sicherheitsdicke 412 aufweisen, die optimiert (oder anderweitig eingerichtet) ist, um während eines Berstzustands dem Aufprall einer hochenergetischen Turbinenscheibenbruchstückfreisetzung standzuhalten. Die Sicherheitsdicke 412 kann in einem Beispiel im Bereich von 2,5–5 cm liegen. In einem weiteren nicht beschränkenden Beispiel kann die Sicherheitsdicke im Bereich von 3,8–4,3 cm oder in einem anderen geeigneten Bereich liegen. Die Sicherheitsdicke 412 überspannt eine Sicherheitszone 416 des dritten Bereichs 406, die direkt um die Turbinenschaufeln 226 herum angeordnet ist. Die Sicherheitszone 416 kann eine horizontale Länge im Bereich von 2,5–5 cm aufweisen. In einem Beispiel kann die horizontale (axiale) Länge der Sicherheitszone eine andere geeignete Länge sein, wie z. B., aber nicht darauf beschränkt, 4.1 cm oder 4.3 cm.
Wie vorstehend Bezug nehmend auf 3 beschrieben, kann die ausgewählte Dicke 410 des zweiten Bereichs von einer Länge 414 zwischen dem ersten Bereich 402 und dem dritten Bereich 406 abhängig sein. Wenn z. B. die Länge 414 zwischen dem ersten Bereich 402 und dem dritten Bereich 406 steigt, kann die ausgewählte Dicke 410 des zweiten Bereichs sinken. Wie mit Bezug auf 3 erläutert, kann die Länge 414 zwischen dem ersten Bereich und dem dritten Bereich die Länge zwischen dem Anfang des ersten Bereichs und dem Anfang der Sicherheitsdickenzone des dritten Bereichs umfassen und kann z. B. im Bereich von 5–10 cm oder in einem anderen geeigneten Bereich liegen. In einem nicht beschränkenden Beispiel kann die Länge 7,4 cm betragen. In der in 4 dargestellten Ausführungsform ist die Länge 414 zwischen dem ersten Bereich und dem dritten Bereich kleiner als die Hälfte einer Gesamtlänge 408 der Ummantelung 400. Im Vergleich dazu ist die Länge 314 der Ausführungsform der in 3 dargestellten Ummantelung 300 größer als die Hälfte der Gesamtlänge 308 der Ummantelung 300. Weil die ausgewählte Dicke des zweiten Bereichs von der Länge zwischen dem ersten und dem dritten Bereich abhängig ist, kann die Dicke 410 des zweiten Bereichs relativ dicker als die Dicke 310 des zweiten Bereichs der Ummantelung 300 sein. Die Sicherheitsdicke 412 kann beispielsweise zumindest so dick wie die Dicke 410 des zweiten Bereichs sein. In der dargestellten Ausführungsform ist die Sicherheitsdicke 412 des dritten Bereichs im Wesentlichen mit der Dicke 410 des zweiten Bereichs gleich.
Die Ummantelung 400 weist ferner einen Spielraumbereich 418 zwischen der Ummantelung 400 und den Laufschaufeln 226, um die Leistung der Turbinenscheibe zu verbessern und bei der Leitung der Abgase in einen Strömungspfad zu helfen. Der Spielraumbereich 418 kann einen Abstand zwischen der Ummantelung 400 und den Laufschaufeln 226 in einem geeigneten Bereich, wie z. B., aber nicht darauf beschränkt, von 0,03–0,25 cm, aufweisen. In einem nicht beschränkenden Beispiel kann der Abstand 0,09 cm betragen. Andere Abstände liegen jedoch innerhalb des Umfangs dieser Offenbarung.
Die Ummantelung 400 weist einen Abgasdiffusor 420 auf. Der Abgasdiffusor 420 kann ein glockenförmiger Endabschnitt der Ummantelung 400 sein, das dabei unterstützt, den Abgasgegendruck zu verringern. Aufgrund der Aufnahme des Abgasdiffusors kann die Länge 414 kürzer als die unter Bezugnahme auf 3 vorstehend beschriebene Länge 314 sein. Zusätzlich kann der zweite Bereich 404 auf derselben horizontalen Achse 422 des dritten Bereichs 406 ausgerichtet sein. In einem Beispiel kann der zweite Bereich 404 mit einer Neigung von 0° (wie durch eine lange Achse des zweiten Bereichs definiert) bezüglich der horizontalen Achse 422 positioniert sein. Andere Ausführungsformen liegen jedoch innerhalb des Umfangs dieser Offenbarung. Die Ausrichtung des zweiten Bereichs 404 auf der horizontalen Achse 422 des dritten Bereichs 406, gemeinsam mit der Länge 414 und der Dicke 410, kann einen zweiten Bereich 404 mit erhöhter Toleranz schaffen, um der auf die Ummantelung einwirkenden Last standzuhalten.
Die Ummantelung 400 kann aus bearbeitetem rostfreiem Stahl mit relativ zu anderen Materialien hoher Festigkeit und/oder Zähigkeit bei erhöhten Temperaturen und ähnlich der Bezug nehmend auf 3 vorstehend beschriebenen Ummantelung 300. In einem Beispiel kann die Ummantelung aus NITRONIC 50^® bestehen. Andere Materialien, die eine geeignete Festigkeit bei hohen Temperaturen bieten, können jedoch ebenfalls verwendet werden.
5 zeigt die obere Hälfte einer radialen Querschnittsansicht einer ringförmigen Ummantelung 500 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung. Die Ummantelung 500 kann in einer Turbine, wie z. B. der in 2 gezeigten Turbine 202, aufgenommen sein; die Ummantelung 500 stellt ein nicht beschränkendes Beispiel der Ummantelung 230 aus 2 dar. In einem nicht beschränkenden Beispiel kann die Ummantelung 500 in einem Niederdruckturbolader aufgenommen sein. Der Niederdruckturbolader kann stromabwärts von einem Hochdruckturbolader angeordnet sein oder kann anderweitig Abgas mit einem niedrigen Druck aufnehmen. Wie vorstehend erläutert, sind die Begriffe „Hochdruck” und „Niederdruck” relativ, d. h. dass „hoher” Druck ein Druck ist, der höher als ein „niedriger” Druck ist. Umgekehrt ist ein „niedriger” Druck niedrigerer Druck als ein „hoher” Druck. Alternativ kann die Ummantelung 500 in einem anderen Turbolader aufgenommen sein.
Ähnlich den Bezug nehmend auf 3 vorstehend beschriebenen Ummantelungen 300 und 400, weist die Ummantelung 500 einen ersten Bereich 502, einen zweiten Bereich 504 und einen dritten Bereich 506 auf. Der erste Bereich kann ein Montagebereich sein, der von einer Turbinenscheibe entfernt angeordnet ist, der zweite Bereich kann ein Übergangsbereich sein, der zwischen dem dritten und dem ersten Bereich angeordnet ist, und der dritte Bereich kann ein Sicherheitsbereich sein, der nahe der Turbinenscheibe angeordnet ist. Eine lange Achse des ersten Bereichs 502 kann im Wesentlichen senkrecht zu der Längsachse der Ummantelung verlaufen, wodurch ein ringförmiger Flansch zur Montage der Ummantelung geschaffen ist. Der Sicherheitsbereich kann eine optimierte Sicherheitsdicke 512 und Zähigkeit aufweisen, um während eines Berstzustands freigesetzte Turbinenscheibenbruchstücke zurückzuhalten und kann die Turbinenscheibe umgeben.
Ähnlich den Ummantelungen 300 und 400 können der erste Bereich 502, der zweite Bereich 504 und der dritte Bereich 506 aus einem integralen Materialstück geschaffen sein. Die Ummantelung 500 kann jedoch aus mehr als einem einzigen Materialstück geschaffen sein. Alternativ oder zusätzlich kann sie eine einschichtige Ummantelung sein, oder sie kann eine mehrschichtige Ummantelung oder eine andere geeignete Anordnung sein.
Die Ummantelung 500 weist eine Gesamtlänge 508 von dem Anfang des ersten Bereichs bis zum Ende des dritten Bereichs auf. In einer Ausführungsform weist die Ummantelung 500 eine Länge 508 im Bereich von 15–20 cm auf. In einem weiteren nicht beschränkenden Beispiel weist die Ummantelung eine Länge von 18,3 cm auf. Andere geeignete Längen, wie z. B. 12,5–25 cm, liegen jedoch ebenfalls innerhalb des Umfangs der Offenbarung.
Der zweite Bereich kann eine Dicke 510 im Bereich von z. B. 0,25–2,5 cm aufweisen. In einem Beispiel kann die Dicke 1 cm betragen. In einem weiteren Beispiel kann die Dicke im Bereich von 0,8–1,2 liegen oder eine andere geeignete Dicke sein. Die Sicherheitsdicke 512 kann im Bereich von 2,9–3,9 cm oder anderer geeigneten Dicke liegen, z. B. im Bereich von 2,5–5 cm. Die Sicherheitsdicke 512 kann eine Sicherheitszone 515 aufweisen, die direkt um die Turbinenschaufeln 226 herum angeordnet ist. Die Sicherheitszone 515 kann eine horizontale (axiale) Länge von geeigneter Länge, z. B. im Bereich von 2,5–5 cm, aufweisen. In einem weiteren Beispiel kann die Sicherheitszone 4,4 cm betragen, oder sie kann 4,6 cm betragen. Andere Längen sind ebenfalls möglich.
Die Ummantelung 500 kann eine Länge 514 zwischen dem ersten Bereich und dem dritten Bereich aufweisen, die in einem Beispiel im Bereich von 2,5–25 cm liegen kann. In einem weiteren Beispiel kann die Länge 514 zwischen dem ersten und dem dritten Bereich 9,9 cm betragen. In der dargestellten Ausführungsform ist die Länge 514 zwischen dem ersten Bereich und dem dritten Bereich kleiner als die Hälfte der Gesamtlänge 508 der Ummantelung 500, und die Sicherheitsdicke 512 des dritten Bereichs ist größer als die Dicke 510 des zweiten Bereichs. In der dargestellten Ausführungsform ist die Sicherheitsdicke 512 des dritten Bereichs (Dicke, die sich von den Laufschaufeln 226 aus radial nach außen erstreckt) zumindest doppelt so dick wie die Dicke 510 des zweiten Bereichs (radiale Dicke) und kann drei Mal so dick, vier Mal so dick sein oder eine andere geeignete Dicke aufweisen.
Ähnlich der unter Bezugnahme auf 4 beschriebenen Ummantelung 400 kann der zweite Bereich 504 auf der gleichen horizontalen Achse 516 des dritten Bereichs 506 ausgerichtet sein. Die Ausrichtung mit dem dritten Bereich, zusammen mit der Länge 514 und der Dicke 510, kann den zweiten Bereich 504 mit erhöhter Toleranz versehen, um der auf die Ummantelung einwirkenden Last standzuhalten. Ebenfalls ähnlich den Ummantelungen 300 und 400 ist ein Spielraumbereich 518 zwischen der Ummantelung 500 und den Laufschaufeln 226 geschaffen. Der Spielraumbereich 518 kann ein Abtand zwischen der Ummantelung 500 und den Laufschaufeln 226 geeigneter Länge, z. B. zwischen 0,03–0,25 cm, sein. In einem Beispiel kann der Spielraumbereich 518 0,09 cm betragen.
Die Ummantelung 500 kann aus bearbeitetem rostfreiem Stahl oder einem anderen Material bestehen, das verglichen mit anderen Materialien eine hohe Festigkeit und/oder Zähigkeit aufweist. In einem Beispiel kann die Ummantelung ähnlich der Bezug nehmend auf 3 vorstehend beschriebenen Ummantelung 300 aus NITRONIC 50^® bestehen. Andere Materialien, die eine geeignete Festigkeit bei hohen Temperaturen aufweisen, können jedoch ebenfalls verwendet werden.
6 ist ein Diagramm, das den Energiefluss während eines Berstzustands veranschaulicht, der eine Freisetzung hochenergetischer Scheibenbruchstücke in einem Turbinensicherheitssystem 600 umfasst. Die durchgezogenen Pfeile kennzeichnen eine mechanische Verbindung zwischen den Komponenten des Sicherheitssystems. Wie dargestellt, ist die Turbinenwelle mechanisch mit zumindest einer Dichtung und einem Lager verbunden und ist mit der Turbinenscheibe verbunden. Die Ummantelung ist mechanisch mit dem Turbinengehäuse verbunden und öffnet sich stromabwärts zu einem Schalldämpfer hin. 6 veranschaulicht den Energiefluss während eines Berstzustands bei sowohl einer leistungsbezogenen Ummantelung bisheriger Systeme als auch einer Sicherheitsummantelung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
Bezug nehmend nun auf die leistungsbezogen Turboummantelungen bisheriger Systeme kann die Turbine, in welcher die Leistungsummantelung aufgenommen ist, einem Berstzustand ausgesetzt sein, bei dem ein oder mehrere Bruchstücke der Turbinenscheibe freigesetzt werden. Diese freigesetzten Scheibenbruchstücke können eine hohe kinetische Energie haben, die, wenn eine für die Rückhaltung nicht optimierte Leistungsummantelung vorhanden ist, die die Turbinenscheibe umgebende Turbinenummantelung durchstechen kann. Bei den Leistungsummantelungen bisheriger Systeme können die Scheibenbruchstücke während eines Berstzustands von der Ummantelung freigesetzt werden, indem sie die Ummantelung durchstechen, so dass die Bruchstücke der Ummantelung entkommen. Dies kann einen Schaden an der Turbine und/oder anderen Komponenten in der Nähe der Turbine bewirken.
Während eines Berstzustands, wenn die Turbinenscheibe ein Bruchstück freisetzt, kann Energie von dem Bruchstück durch verschiedene Komponenten des Sicherheitssystems fließen. Die gestrichelt linierten Pfeile veranschaulichen den Energiefluss des Sicherheitssystems, einschließlich einer üblichen Leistungsummantelung (z. B. einer Nicht-Sicherheitsummantelung). Die Energie fließt von der Scheibe zu der Ummantelung, die nicht in der Lage sein kann, die gesamte Energie aufzunehmen, um das Bruchstück in der Ummantelung zurückzuhalten. In Folge dessen fließt die Energie zu dem Turbinengehäuse, dem Schalldämpfer und heraus in die Atmosphäre und/oder zu zusätzlichen Komponenten, die in 6 nicht veranschaulicht sind.
Zurückkehrend zu dem Sicherheitsummantelungssystem der vorliegenden Offenbarung kennzeichnen die gestrichelt linierten Pfeile in 6 den Energiefluss während eines Berstzustands, bei dem ein hochenergetisches Scheibenbruchstück in einer Turbine mit einer Sicherheitsummantelung, wie z. B. der Ummantelung 300, 400 oder 500 der 3–5, freigesetzt wird. Die Energie fließt von den Scheibenbruchstücken zu der Ummantelung. Anders als die Nicht-Sicherheitsummantelung weist die Sicherheitsummantelung eine erhöhte Berstfestigkeit auf, indem sie ein hohes Zähigkeitsmodul und/oder eine vergrößerte Dicke in zumindest dem Gebiet aufweist, das die Turbinenscheibe umgibt. Weil die Ummantelung eingerichtet ist, um Scheibenbruchstücke zurückzuhalten, und eine höhere Durchschlagtoleranz und Zugfestigkeit als eine Nicht-Sicherheitsummantelung aufweist, wird die Energie von dem Bruchstück innerhalb des Scheiben-Ummantelungs-Komplexes aufgenommen und wird nicht zu irgendwelchen anderen Komponenten des Ummantelungssystems, des Turboladers oder des Antriebssystems abgegeben.
7A und 7B zeigen eine graphische Darstellung 710 bzw. eine graphische Darstellung 720, die die kinetische Energie eines Turbinenscheibenbruchstücks während eines Berstzustands veranschaulichen, in dem das hochenergetische Turbinenscheibenbruchstück freigesetzt wird. Die Graphik 710 der 7A veranschaulicht die kinetische Energie der Bruchstückfreisetzung in einer Nicht-Sicherheitsturbinenummantelung. Die Graphik 720 der 7B veranschaulicht die kinetische Energie der Bruchstückfreisetzung in einer Sicherheitsummantelung gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung, wie z. B. der Ummantelung 300, 400 und/oder 500 der 3–5.
Für beide Graphiken 710 und 720 ist die kinetische Energie entlang der y-Achse dargestellt, und die Zeit ist entlang der x-Achse dargestellt. Die kinetische Energie ist die Bewegungsenergie des Scheibenbruchstücks und ist eine Funktion der Geschwindigkeit, der Materialeigenwellen und/oder des Gewichts des Scheibenbruchstücks. Die Graphiken 710 und 720 stellen die kinetische Energie in lb-inch dar.
Bezug nehmend auf den Graphen 710 ist die kinetische Energie der Scheibenfreisetzung mit der gestrichelten Linie dargestellt. Die Scheibenfreisetzung beginnt bei einer kinetischen Energie von ungefähr 1 × 10⁶ lb-inch und wird zunächst aufgrund der Wechselwirkung mit der Ummantelung verringert, während die kinetische Energie auf ungefähr 0.3 × 10⁶ lb-inch zurückfällt. Die Nicht-Sicherheitsummantelung ist jedoch nicht in der Lage, die Energie des Scheibenbruchstücks vollständig aufzunehmen, da diese bei 0.3 × 10⁶ lb-inch verbleibt. In Folge dessen behält das Scheibenbruchstück ausreichend Energie, um die Ummantelung zu durchbrechen und die Energie an andere Komponenten der Turbinen und/oder des Antriebs zu übertragen.
Im Gegensatz dazu stellt der Graph 720 die Energie während einer Scheibenfreisetzung in einer Turbine dar, die eine Sicherheitsummantelung (z. B. die Ummantelungen 300, 400, 500) aufweist. Die kinetische Energie des Scheibenbruchstücks ist auf der gepunkteten Linie dargestellt. Ähnlich dem Graphen 710 beginnt die Energiefreisetzung des Graphen 720 bei ungefähr 1 × 10⁶ lb-inch (ungefähr 1350 kilojoules (kJ)). Im Gegensatz zum Graphen 710 fällt die kinetische Energie des Scheibenbruchstücks innerhalb von 10 ms jedoch im Wesentlichen auf null und verbleibt bei null. Die Berstfestigkeit der Sicherheitsummantelung ist somit ausreichend, um das Scheibenbruchstück innerhalb der Ummantelung zurückzuhalten, und das Scheibenbruchstück weist keine hinreichende Energie auf, um die Ummantelung durchzustoßen und zu verlassen. In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Ummantelung 300, 400, 500 eingerichtet, um Scheibenbruchstücke mit einer kinetischen Energie von zumindest 1350 kJ zurückzuhalten.
8 zeigt ein Flussdiagramm, das ein Verfahren 800 zur Herstellung einer Turbinenummantelung, wie z. B. der Ummantelung 300, 400 und/oder 500 der 3–5, veranschaulicht. Das Verfahren 800 weist bei 802 die Bereitstellung eines Montagebereichs auf, der eingerichtet ist, um die Ummantelung an einem Gehäuse der Turbine zu befestigen. Wie vorstehend erläutert, kann der Montagebereich den ersten Bereich der Ummantelung aufweisen und kann, wenn diese in einer Turbine installiert ist, von der Turbinenscheibe entfernt angeordnet sein. Der Montagebereich kann einen Flansch aufweisen, der mit dem Turbinengehäuse gekoppelt werden kann, wenn die Ummantelung in der Turbine installiert wird.
Bei 804 weist das Verfahren 800 die Bereitstellung eines Sicherheitsbereichs auf, der eingerichtet ist, um die Turbinenscheibe zu umgeben. Der Sicherheitsbereich kann den dritten Bereich der Ummantelung aufweisen und kann, wenn diese in einer Turbine installiert ist, nahe an der Turbinenscheibe angeordnet sein. Die Bereitstellung eines Sicherheitsbereichs umfasst, dass der Sicherheitsbereich eine Berstfestigkeit aufweist, um während eines Berstzustands ein oder mehrere Turbinenscheibenbruchstücke in der Ummantelung zurückzuhalten. Wie vorstehend erläutert, kann ein Berstzustand einen Zustand umfassen, bei dem ein oder mehrere Scheibenbruchstücke mit hoher Energie freigesetzt werden. Dies kann Fremdobjekte, die in die Turbine eintreten, oder ein mechanisches Problem umfassen, das die Turbinenscheibe veranlasst, zu brechen oder sich anderweitig aus ihrer Verbindung mit der Turbine zu lösen. Jeder Zustand, der eine Freisetzung eines Hochenergieturbinenscheibenbruchstücks zur Folge hat, kann als ein Berstzustand betrachtet werden. Die Berstfestigkeit des Sicherheitsbereichs kann eine Funktion einer Dicke und/oder Zähigkeit der Ummantelung innerhalb des Sicherheitsbereichs sein, um während eines Berstzustands die Scheibenbruchstücke zurückzuhalten. Die Berstfestigkeit kann auch der Ummantelung ermöglichen, die kinetische Energie der Scheibenbruchstücke aufzunehmen. Die Berstfestigkeit des Sicherheitsbereichs kann z. B. die kinetische Energie des Scheibenbruchstücks während eines Berstzustands auf im Wesentlichen null oder eine andere geeignete kinetische Energie reduzieren, um das Scheibenbruchstück innerhalb der Ummantelung zurückzuhalten.
Das Verfahren 800 weist in 806 die Bereitstellung eines Übergangsbereichs zwischen dem Montagebereich und dem Sicherheitsbereich auf. Wie vorstehend erläutert, kann der Übergangsbereich optimiert werden, um die auf die Ummantelung wirkende Aufpralllast aufzunehmen. Abhängig von der Turbine, in der die Ummantelung aufgenommen ist, kann/können die Dicke und/oder die Länge des Übergangsbereichs variieren. In 808 enthält das Verfahren 800 an sich das Einrichten einer Dicke des Übergangsbereichs als Funktion eines Abstands zwischen dem Montagebereich und dem Sicherheitsbereich. In einigen Ausführungsformen kann dies bei 810 eine Vergrößerung der Dicke des Übergangsbereichs aufweisen, wenn der Abstand zwischen dem Montagebereich und dem Sicherheitsbereich sinkt. Beispielsweise kann der Abstand zwischen dem Montagebereich und dem Sicherheitsbereich in der unter Bezugnahme auf 3 beschriebenen Ummantelung 300 länger als der Abstand zwischen dem Montage- und dem Sicherheitsbereich der unter Bezugnahme auf 4 beschriebenen Ummantelung 400 sein. In Folge dessen kann die Dicke des Übergangsbereichs der Ummantelung 400 dicker als die Dicke des Übergangsbereichs der Ummantelung 300 sein.
In einer Ausführungsform einer Axialturbine, die hierin eine Ummantelung aufweist, in der eine Turbinenscheibe/-blisk aufgenommen ist, weist die Ummantelung einen ersten Bereich, einen zweiten Bereich und einen dritten Bereich auf, wobei die Länge zwischen dem ersten Bereich und dem dritten Bereich kleiner als die Hälfte einer Gesamtlänge der Ummantelung ist, und eine Dicke des zweiten Bereichs ist im Wesentlichen mit einer Sicherheitsdicke des dritten Bereichs gleich (nicht mehr als 1% Unterschied).
Eine weitere Ausführungsform betrifft ein Axialturbinensystem zur Verwendung in einem Antriebssystem. Das Axialturbinensystem weist ein Turbinenelement auf, welches ein Element ist, dessen Funktion es ist, auf eine Wirkung eines Abgasstroms hin eine (mit dem Turbinenelement verbundene) Welle zu bewegen. (Ein von dem Turbinenelement entferntes Ende der Welle kann z. B. mit einem Verdichterrad verbunden sein.) Das axiale Turbinensystem weist zusätzlich ein Ummantelungsgehäuse auf, das das Turbinenelement aufnimmt. Die Ummantelung weist einen von dem Turbinenelement entfernten Montagebereich, einen Sicherheitsbereich und einen zwischen dem Montagebereich und dem Sicherheitsbereich angeordneten Übergangsbereich auf. Der Sicherheitsbereich weist eine Sicherheitsdicke in der Nähe der Turbinenscheibe auf; die Sicherheitsdicke ist zumindest so dick wie eine Dicke des Übergangsbereichs. In einer weiteren Ausführungsform ist die Sicherheitsdicke im Wesentlichen mit der Dicke des Übergangsbereichs gleich (gleich innerhalb von 1% oder weniger).
Eine weitere Ausführungsform betrifft eine Ummantelung für eine Turbine eines Motorturboladers. Die Ummantelung weist einen ringförmigen Körper auf, der eine Längs-(Mittel-)Achse aufweist. Der ringförmige Körper weist im radialen Querschnitt einen ersten Bereich mit einer langen Achse auf, die im Wesentlichen senkrecht zu der Längsachse verläuft, einen dritten Bereich und einen zweiten Bereich auf, der zwischen dem ersten Bereich und dem dritten Bereich angeordnet ist und diese miteinander verbindet. Der dritte Bereich weist eine lange Achse auf, die parallel zu der Längsachse verläuft. Eine maximale radiale Dicke des dritten Bereichs ist zumindest so dick wie eine maximale Dicke des zweiten Bereichs.
In einer weiteren Ausführungsform der Ummantelung ist die maximale radiale Dicke des dritten Bereichs zumindest zwei Mal so dick wie die maximale Dicke des zweiten Bereichs.
In einer weiteren Ausführungsform der Ummantelung ist eine lange Achse des zweiten Bereichs unter einem von null Grad verschiedenen Winkel bezüglich der Längsachse angeordnet.
In einer weiteren Ausführungsform der Ummantelung sind der erste, der zweite und der dritte Bereich integral und weisen Metall auf.
In einer weiteren Ausführungsform der Ummantelung ist der dritte Bereich eingerichtet, um Bruchstücke einer Turbinenscheibe/-blisk zurückzuhalten, die freigesetzt werden, wenn die Turbinenscheibe/-blisk mit 75% einer maximalen Drehzahl (z. B. 75% ihrer maximalen Nenndrehzahl) eines Motorturboladers rotiert, in dem die Ummantelung mit dem dritten Bereich, der die Turbinenscheibe/-blisk radial außen umgibt, installiert ist.
In einer weiteren Ausführungsform der Ummantelung ist der dritte Bereich eingerichtet, um Bruchstücke einer Turbinenscheibe/-blisk eines Motorturboladers zurückzuhalten, die mit einer kinetischen Energie von 1350 kJ freigesetzt werden.
In einer weiteren Ausführungsform beträgt ein axialer Abstand zwischen dem ersten Bereich und dem dritten Bereich (z. B. wie durch die Entfernung zwischen dem senkrechten ersten Bereich und der bezüglich des zweiten Bereichs erhöhten Dicke des dritten Bereichs) weniger als die Hälfte einer gesamten axialen Länge der Ummantelung.
Eine weitere Ausführungsform betrifft einen Motorturbolader. Der Motorturbolader weist einen Tragrahmen/ein Traggehäuse und eine Turbinenscheibe/-blisk auf, die an einer Welle angebracht ist, wobei die Turbinenscheibe/-blisk und die Welle mit dem Tragrahmen drehbar verbunden sind. Der Turbolader weist zusätzlich eine Ummantelung auf. Die Ummantelung weist einen ringförmigen Körper mit einer Längs-(Mittel-)Achse auf. Der ringförmige Körper weist im radialen Querschnitt einen ersten Bereich mit einer langen Achse, die im Wesentlichen senkrecht zu der Längsachse verläuft, einen dritten Bereich und einen zweiten Bereich auf, der zwischen dem ersten Bereich und dem dritten Bereich angeordnet ist und diese miteinander verbindet. Der dritte Bereich weist eine lange Achse auf, die parallel zu der Längsachse verläuft. Eine maximale radiale Dicke des dritten Bereichs ist zumindest so dick wie eine maximale Dicke des zweiten Bereichs. Die Ummantelung ist an den Tragrahmen mithilfe des ersten Bereichs befestigt, und der dritte Bereich umgibt die Turbinenscheibe/-blisk ringförmig radial außen von der Turbinenscheibe/-blisk.
Eine weitere Ausführungsform betrifft eine Ummantelung für eine Turbine eines Motorturboladers. Die Ummantelung weist einen ringförmigen Montageflansch auf. Die Ummantelung weist ferner ein zylindrisches Übergangselement auf, das an dem Flansch angebracht und mit diesem koaxial angeordnet ist und das sich von diesem aus in Längsrichtung nach außen erstreckt, z. B. kann das Übergangselement senkrecht zu dem Flansch angeordnet oder unter einem Winkel von weniger als 90 Grad (z. B. 60–90 Grad) bezüglich des Flansches geneigt sein. Die Ummantelung weist ferner ein zylindrisches Sicherheitselement auf, das mit dem Übergangselement an einem Ende des Übergangselementes, das sich von dem mit dem Flansch verbundenen Ende unterscheidet, verbunden und koaxial zu diesem angeordnet ist. D. h., das Übergangselement weist ein erstes Ende und ein zweites Ende auf, wobei der Flansch mit dem ersten Ende und das Sicherheitselement mit dem zweiten Ende verbunden ist. Eine maximale radiale Dicke des Sicherheitselementes ist zumindest so dick wie eine maximale radiale Dicke des Übergangselementes. In einer weiteren Ausführungsform ist die maximale radiale Dicke des Sicherheitselementes größer als die maximale radiale Dicke des Übergangselementes. In einer weiteren Ausführungsform ist die maximale radiale Dicke des Sicherheitselementes zumindest doppelt so dick wie die maximale radiale Dicke des Übergangselementes. Wenn die Ummantelung in einem Turbolader installiert wird, wird der ringförmige Montageflansch verwendet, um die Ummantelung mit einem Träger/Rahmen des Turboladers zu verbinden, und das Sicherheitselement ist positioniert, um eine Turbinenscheibe/-blisk des Turboladers ringartig, radial außen zu umgeben. Das Sicherheitselement ist eingerichtet, um Bruchstücke der Scheibe/Blisk zurückzuhalten, die während eines Berstzustands freigesetzt werden, z. B. zumindest Bruchstücke, die eine kinetische Energie von 1350 kJ aufweisen, und/oder zumindest Bruchstücke, die freigesetzt werden, wenn der Turbolader bei 75% seiner maximalen Drehzahl (z. B. 75% der Nenndrehzahl) arbeitet.
So wie hierin verwendet, sollte ein in der Singularform bezeichnetes Element oder Schritt und dem auch die Worte ”einer, eine, eines” vorangestellt sind, nicht als mehrere Elemente oder Schritte ausschließend betrachtet werden, soweit nicht ein derartiger Ausschluss explizit angegeben wird. Ferner sollen Bezugnahmen auf ”eine Ausführungsform” der vorliegenden Erfindung nicht derart interpretiert werden, als würden sie die Existenz weiterer Ausführungsformen ausschließen, die ebenfalls die angegebenen Merkmale beinhalten. Ferner können, soweit nicht explizit gegenteilig angegeben, Ausführungsformen, die ein Element oder mehrere Elemente mit einer speziellen Eigenwelle ”aufweisen”, ”enthalten” oder ”haben”, zusätzliche derartige Elemente beinhalten, die nicht diese Eigenwelle haben. Die Begriffe ”enthaltend” und ”in welchen” werden als die Klartext-Äquivalente für die entsprechenden Begriffe ”aufweisend” und ”wobei” verwendet. Ferner werden die Begriffe ”erste”, ”zweite” und ”dritte” usw. lediglich als Bezeichnungen verwendet und sollen keine numerischen Anforderungen und keine spezielle Positionsreihenfolge bezüglich ihrer Objekte vorgeben.
Diese schriftliche Beschreibung nutzt Beispiele, um die Erfindung, einschließlich ihrer besten Ausführungsart, zu offenbaren und um auch jedem Fachmann zu ermöglichen, die Erfindung in die Praxis umzusetzen, einschließlich der Herstellung und Nutzung aller Vorrichtungen und Systeme und der Durchführung aller einbezogenen Verfahren. Der patentfähige Umfang der Erfindung ist durch die Ansprüche definiert und kann weitere Beispiele umfassen, die für den Fachmann ersichtlich sind. Derartige weitere Beispiele sollen in dem Umfang der Erfindung enthalten sein, sofern sie strukturelle Elemente besitzen, die sich nicht von dem Wortsinn der Ansprüche unterscheiden, oder wenn sie äquivalente strukturelle Elemente mit unwesentlichen Änderungen gegenüber dem Wortsinn der Ansprüche enthalten.

Claims

Axialturbine zur Verwendung in einem Antriebssystem, die aufweist: eine Turbinenscheibe/-blisk; und eine Ummantelung, die die Turbinenscheibe/-blisk aufnimmt, wobei die Ummantelung einen ersten Bereich, einen zweiten Bereich und einen dritten Bereich aufweist, wobei eine Dicke des zweiten Bereichs von einer Länge zwischen dem ersten Bereich und dem dritten Bereich abhängt und wobei der dritte Bereich eine Berstfestigkeit aufweist, die bei einem Berstzustand ein oder mehrere Bruchstücke der Turbinenscheibe/-blisk zurückhält.
Axialturbine gemäß Anspruch 1, wobei der erste Bereich ein von der Turbinenscheibe/-blisk entfernter Montagebereich ist, um die Ummantelung innerhalb eines Gehäuses der Axialturbine anzuordnen, der zweite Bereich ein Übergangsbereichs zwischen dem ersten und dem dritten Bereich ist und der dritte Bereich nahe der Turbinenscheibe/-blisk angeordnet ist.
Axialturbine gemäß Anspruch 1, wobei die Berstfestigkeit eine Funktion einer Sicherheitsdicke des dritten Bereichs ist.
Axialturbine gemäß Anspruch 1, wobei der erste, zweite und dritte Bereich einen kontinuierlichen Abschnitt aus einem einzigen Material ohne zusätzliche Schichten aus anderen Materialien, die zu der Berstfestigkeit beitragen, bilden.
Axialturbine gemäß Anspruch 4, wobei die Länge zwischen dem ersten Bereich und dem dritten Bereich geringer als die Hälfte einer Gesamtlänge der Ummantelung ist und wobei die Dicke des zweiten Bereichs mit der Sicherheitsdicke des dritten Bereichs im Wesentlichen gleich ist.
Axialturbine gemäß Anspruch 4, wobei die Länge zwischen dem ersten Bereich und dem dritten Bereich größer als die Hälfte einer Gesamtlänge der Ummantelung ist und wobei die Sicherheitsdicke des dritten Bereichs größer als die Dicke des zweiten Bereichs ist.
Axialturbine gemäß Anspruch 1, wobei die Axialturbine in einem Fahrzeugantriebssystem eines Fahrzeugs installiert ist.
Axialturbine gemäß Anspruch 7, wobei das Fahrzeug eine Lokomotive ist.
Axialturbine gemäß Anspruch 1, wobei die Ummantelung eingerichtet ist, um zur Verbessung der Turbinenscheiben/-blisk-Leistung einen Spielraum für die Turbinenscheiben-/-blisk-Schaufel zu schaffen.
Axialturbine zur Verwendung in einem Antriebssystem, die aufweist: ein Turbinenelement, das eingerichtet ist, um eine Welle auf eine Einwirkung eines Abgasstroms hin zu bewegen; und eine Ummantelung, die das Turbinenelement aufnimmt, wobei die Ummantelung einen von dem Turbinenelement entfernten Montagebereich, einen Sicherheitsbereich und einen Übergangsbereichs zwischen dem Montagebereich und dem Sicherheitsbereich aufweist, wobei der Sicherheitsbereich eine Sicherheitsdicke nahe des Turbinenelements aufweist, wobei die Sicherheitsdicke zumindest so dick ist wie eine Dicke des Übergangsbereichs.
Axialturbine gemäß Anspruch 10, wobei die Sicherheitsdicke zumindest doppelt so dick wie die Dicke des Übergangsbereichs ist.
Axialturbine gemäß Anspruch 10, wobei die Sicherheitsdicke im Wesentlichen gleich der Dicke des Übergangsbereichs ist.
Axialturbine gemäß Anspruch 10, wobei der Übergangsbereich mit einer Neigung bezüglich einer Längsachse des Sicherheitsbereichs angeordnet ist.
Axialturbine gemäß Anspruch 10, wobei der Übergangsbereich mit dem Sicherheitsbereich auf einer Längsachse ausgerichtet ist.
Axialturbine gemäß Anspruch 10, wobei die Ummantelung aus bearbeitetem korrosionsbeständigen Stahl mit einem Zähigkeitsmodul von mehr als 14.000 Psi bei 500°C besteht.
Axialturbine gemäß Anspruch 10, wobei der Sicherheitsbereich eine Berstfestigkeit aufweist, die bei einem Berstzustand ein oder mehrere Bruchstücke des Turbinenelementes zurückhält und wobei der Berstzustand eine Freisetzung der Bruchstücke von dem Turbinenelement aufweist, wenn das Turbinenelement bei zumindest 75% der maximalen Drehzahl der Axialturbine arbeitet.
Lokomotive, die aufweist: einen Motor mit einem Abgassystem; und eine Axialturbine gemäß Anspruch 10, die in dem Abgassystem angeordnet ist.
Ummantelung für eine Turbine eines Motorturboladers, wobei die Ummantelung aufweist: einen ringförmigen Körper mit einer Längsachse, wobei der ringförmige Körper in radialem Querschnitt aufweist: einen ersten Bereich mit einer langen Achse, die im Wesentlichen senkrecht zu der Längsachse verläuft, einen dritten Bereich und einen zweiten Bereich, der zwischen dem ersten Bereich und dem dritten Bereich angeordnet ist und den ersten Bereich und den dritten Bereich miteinander verbindet, wobei der dritte Bereich eine lange Achse aufweist, die parallel zu der Längsachse verläuft, und wobei eine maximale radiale Dicke des dritten Bereichs zumindest so dick wie eine maximale Dicke des zweiten Bereichs ist.
Ummantelung gemäß Anspruch 18, wobei die maximale radiale Dicke des dritten Bereichs zumindest doppelt so dick wie die maximale Dicke des zweiten Bereichs ist.
Ummantelung gemäß Anspruch 18, wobei eine lange Achse des zweiten Bereichs unter einem von null Grad verschiedenen Winkel bezüglich der Längsachse angeordnet ist.
Ummantelung gemäß Anspruch 18, wobei der erste, zweite und dritte Bereich integral sind und Metall aufweisen.
Ummantelung gemäß Anspruch 18, wobei der dritte Bereich eingerichtet ist, um Bruchstücke einer Turbinenscheibe/-blisk zurückzuhalten, die freigesetzt werden, wenn die Turbinenscheibe/-blisk mit 75% der maximalen Drehzahl eines Motorturboladers rotiert, in dem die Ummantelung mit dem dritten Bereich, der die Turbinenscheibe/-blisk radial umgibt, installiert ist.
Ummantelung gemäß Anspruch 18, wobei der dritte Bereich eingerichtet ist, um Bruchstücke einer Turbinenscheibe/-blisk eines Motorturboladers zurückzuhalten, die bei einer kinetischen Energie von 1350 kJ freigesetzt werden.
Motorturbolader, der aufweist: einen Tragrahmen; eine Turbinenscheibe/-blisk, die an einer Welle angebracht ist, wobei die Turbinenscheibe/-blisk und die Welle mit dem Tragrahmen drehbar verbunden sind; und eine Ummantelung gemäß Anspruch 18, wobei die Ummantelung an dem Tragrahmen mittels des ersten Bereichs angebracht ist und der dritte Bereich die Turbinenscheibe/-blisk ringförmig radial außen von der Turbinenscheibe/-blisk umgibt.
Verfahren zur Herstellung einer Turbinenummantelung zur Verwendung in einer Axialturbine, das aufweist: Bereitstellen eines Montagebereichs, der eingerichtet ist, um in einem Gehäuse einer Axialturbine montiert zu werden; Bereitstellen eines Sicherheitsbereichs, der eingerichtet ist, um eine Turbinenscheibe der Axialturbine zu umgeben, und der eine Berstfestigkeit aufweist, die bei einem Berstzustand ein oder mehrere Bruchstücke der Turbinenscheibe zurückhält; und Bereitstellen eines Übergangsbereichs zwischen dem Montagebereich und dem Sicherheitsbereich, wobei eine Dicke des Übergangsbereichs von einer Länge zwischen dem Montagebereich und dem Sicherheitsbereich abhängig ist.
Verfahren gemäß Anspruch 25, wobei die Länge zwischen dem Montagebereich und dem Sicherheitsbereich kleiner als die Hälfte einer Gesamtlänge der Turbinenummantelung ist und wobei die Dicke des Übergangsbereichs im Wesentlichen gleich einer Sicherheitsdicke des Sicherheitsbereichs ist.
Verfahren gemäß Anspruch 25, wobei die Länge zwischen dem Montagebereich und dem Sicherheitsbereich größer als die Hälfte einer Gesamtlänge der Turbinenummantelung ist und wobei eine Sicherheitsdicke des Sicherheitsbereichs größer als die Dicke des zweiten Bereichs ist.