DE1144538B

DE1144538B - Gussgehaeuse von Radialstroemungsmaschinen

Info

Publication number: DE1144538B
Application number: DEE18040A
Authority: DE
Inventors: Alfred Leins
Original assignee: J Eberspaecher GmbH and Co KG
Current assignee: Eberspaecher Climate Control Systems GmbH and Co KG
Priority date: 1959-07-30
Filing date: 1959-07-30
Publication date: 1963-02-28
Also published as: GB946461A; DE1144538C2; FR1271571A; CH399832A

Description

Die Erfindung hat ein Gußgehäuse von Radialströmungsmaschinen mit hohen Arbeitsmitteltemperaturen, insbesondere von Abgasturboladern zum Gegenstand, bei denen das Turbinengehäuse durch eine radiale Schottwand abgeschlossen ist, die einen zentralen Durchtritt für die Welle des Turbinenlaufrades besitzt und hier mit dem die Welle stützenden Lagergußgehäuse verbunden ist und die an ihrem äußeren Umfang eine die Laufradnabe fortsetzende Begrenzung der Laufradschaufelkanäle darstellt.

Bei Radialströmungsmaschinen ist die Betriebssicherheit und auch der Wirkungsgrad in entscheidendem Maße von der Beherrschung der auftretenden Temperaturen abhängig. Die beispielsweise mit heißen Abgasen betriebenen Turbolader weisen zwischen Turbine und Lager große Temperaturdifferenzen auf. Dementsprechend ist der Wärmedurchgang sehr hoch. Der Wärmefluß von der Turbinen- zur Laderseite stellt nicht nur für die Turbine einen Energieverlust dar, sondern auch eine zusätzliche Wärmezufuhr für das zu verdichtende Medium. Je höher aber die Temperatur des Mediums ansteigt, um so größer wird der erforderliche Arbeitsaufwand zur Verdichtung. Darüber hinaus wird durch die Wärmezufuhr an den Lagerstellen die Betriebssicherheit der Lager stark in Frage gestellt, d. h., es besteht die Gefahr einer Lagerzerstörung. Diese kann verursacht werden durch die erhöhte Wärmeausdehnung der Lagerteile wie auch durch zu starke Schmiermittelverdünnung.

Als nächstliegender Weg zur Vermeidung eines unerwünschten Wärmedurchganges hat man schon eine Anzahl Vorschläge gemacht, die darauf hinzielen, das Turbinen- und Lagergehäuse zu kühlen. Auf diesem Grundgedanken fußend hat man z. B. Kühlkanäle in Form von Bohrungen u. dgl. im Gehäuse und in der Welle vorgesehen und in diese Kühlkanäle Wasser oder Luft eingeleitet. Man hat beispielsweise vorgeschlagen, einen Teil der vom Lader verdichteten Luft abzuzweigen und in diese Kühlkanäle einzuführen. Nachteilig ist hierbei der verhältnismäßige große Aufwand und die Schwächung der Teile durch Bohrungen. Auch bereitet die Montage der Gehäuseteile allerlei Schwierigkeiten, und schließlich ist, z. B. bei Abgasturboladern, bei bestimmten Betriebszuständen ein Eindringen der Abgase in die Kühlkanäle kaum zu vermeiden. Die in den Abgasen mitgefühlten Rußteilchen aber verlegen die Kühlkanäle mit der Zeit, wodurch die Kühlleistung in unkontrollierbarem Ausmaß herabgesetzt wird und oft völlig ausfällt.

Bekannt ist auch, bei Laufrädern eine Wärmedrossel Gußgehäuse von Radialströmungsmaschinen

Anmelder:

Fa. J. Eberspächer,
Eßlingen/Neckar, Eberspächerstr. 24

Alfred Leins, Eßlingen/Neckar-Sulzgries,
ist als Erfinder genannt worden

dadurch zu bilden, daß ein Teil einer zweiteiligen Welle mit einem Hohlraum versehen ist und gleichzeitig aus weniger wärmeleitendem Material besteht.

zo Zur Vermeidung eines Wärmeflusses hat man bei gegossenen Gehäusen die zum Zwecke des Abschlusses des Turbinenarbeitsraumes nach der Lagerseite hin erforderliche Schottwand durch ein mit Schrauben befestigtes scheibenförmiges Blechteil gebildet.

Bleche besitzen gegenüber Metallguß eine verminderte Wärmeleitfähigkeit und wirken daher wärmedrosselnd. Während z. B. die üblicherweise verwendeten Gußteile eine Wärmeleitzahl von etwa 43 Kcal/hm° C aufweisen, besitzen Stahlbleche beispielsweise nur eine solche von 13. Nachteilig ist bei den in der beschriebenen Weise befestigten Blechschottwänden jedoch, daß sie sich bei hohen Temperaturen verziehen und dann nicht mehr abdichten. Es ist bei Verwendung der Schottwand als Laufradschaufelkanalbegrenzung dann auch nicht mehr möglich, einen definierten kleinen Spalt zwischen Turbinenschaufeln und Schott-^ wand einzuhalten. Dies ist aber bei Radialturbinen, deren Schaufeln zur Verminderung des Trägheitsmomentes einen größeren Durchmesser als die Scheibe besitzen sollen, zur Vermeidung eines zu großen Spaltverlustes unbedingt erforderlich.

Bei den andererseits üblichen Gußwänden tritt diese Schwierigkeit zwar nicht auf, jedoch muß man dabei — wie dargelegt — einen größeren Wärmefluß in Kauf nehmen.

Die Erfindung geht demzufolge von der Aufgabe aus, die Schottwand so auszubilden, daß der Spalt zwischen Turbinenradschaufel und Schottwand genau eingehalten werden kann, und andererseits die unerwünschte Wärmeübertragung zu vermeiden.

Diese bisher nicht miteinander zu vereinbarenden Bedingungen bringt das Erfindungsprinzip zusammen.

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Es sieht vor, die Schottwand im Bereich der offenen Schaufelkanäle des Turbinenlaufrades in Guß und anschließend zum WeUendurchtritt hin als Blechscheibe auszuführen, die mit ihren Rändern auf der einen Seite in den Gußteil der Schottwand und an der anderen Seite in das Lagergehäuse in Anwendung sonst an sich bekannter Gießverfahren eingegossen ist.
Durch das beiderseitige Eingießen der Blechscheibe

teile in an sich bekannter Weise mit Verankerungsmitteln, z. B. Rippen, Löchern und sonstigen Verformungen, versehen.

Am Beispiel eines Abgasturboladers ist die Erfindung näher erläutert und beschrieben. In der Zeichnung ist mit 1 das Turbinengehäuse mit dem frei fliegend auf der Welle 2 angeordneten Turbinenrad 3 bezeichnet, das nach dem Lagerblock 4 hin durch die mit diesem verbundene Schottwand 5 abgeschlossen

wird diese so fest eingespannt, daß sie sich bei io ist. Diese Schottwand 5 ist nach innen zu durch einen Wärmeausdehnungen nicht verbiegen, verwerfen oder Blechring 5 α ersetzt, der an einer Seite bei Aa in den ihren Sitz sonstwie verändern kann. Lagerbock 4 und bei 5 b in die Schottwand 5 ein-Da sich die Blechscheibe andererseits nicht bis zu gegossen ist. Der Blechring 5a ist—wie ersichtlich— den Schaufeln des Turbinenrades erstreckt, ist über- ein verformtes Blechteil. Die Verformungen verleihen dies dafür gesorgt, daß das Turbinenrad keinesfalls 15 ihm eine gewisse Steifigkeit. An den eingegossenen behindert wird. Durch die Ausführung des die Tür- Abschnitten ist das Blechteil mit einer nicht weiter binenradschaufeln begrenzenden Teiles der Schott- dargestellten Lochung versehen, die zur Verankerung wand des Spaltabschnittes in Guß wird es vielmehr im Guß dient. Andere Verankerungen sind beispielsermöglicht, dem Spalt selbst kleinste Abmessungen weise auch Ausklinkungen, aufgesetzte Rippen u. dgl. zu geben. Diese erfindungsgemäße Ausführung läßt 20 Ein Gedanke der Erfindung ist es, die Rippen oder es ohne weiteres zu, daß die Wandstärke des Blech- ähnliche Verankerungsmittel als Streben zur notteiles in vorteilhafter Weise gegenüber denjenigen der wendigen Fixierung des Blechteiles 5 a in der Guß-Gußteile so stark verringert werden kann, daß der form zu verwenden und die über die Oberfläche der Wärmefluß zusätzlich weiter herabgesetzt wird. Bei Gußteile vorstehenden Teile danach zu entfernen. Zugrundelegung der oben angeführten Wärmeleit- 25 Die beim Ausführungsbeispiel vorgesehenen Träger 6 zahlenunterschiede und einem Wandstärkenverhält- bestehen ebenfalls aus einem profilierten Blechteil, nis von ¹U beispielsweise wurde eine Drosselung des Bei der Anordnung des Erfindungsgegenstandes Wärmedurchganges von 92,4% festgestellt. beim Ausführungsbeispiel entsteht an der durch das Die Bedingung verringerter Wandstärke des Blech- Blechteil 5 a teilweise ersetzten Schottwand 5 eine teiles wurde bei Axialturbinen schon erfüllt; nicht 30 Wärmedrossel. Diese ist dadurch gegeben, daß das aber die zweite Bedingung, weil bei Axialturbinen Blechteil 5 α aus Stahl hergestellt ist und gegenüber nicht das Problem der Schaufelkanalbegrenzung den Gußteilen eine geringere Wandstärke aufweist, durch die Schottwand besteht. Auf diese Weise wird der sonst selbst mit zusätz-Andererseits ist es bei Brennkraftkolbenmaschinen liehen Einrichtungen zur Kühlung schwer beherrschzwar schon bekannt, Kolbenkopf und Kolbenschaft 35 bare Wärmefluß über den Lagerbock 4 zum Lader 7 gesondert auszuführen und durch einen eingegossenen hin nahezu unterbrochen, so daß das nicht dar-Bügel unter Belastung eines Spaltes zwischen beiden
Teilen miteinander zu verbinden. Diese Maßnahme
geht jedoch von der Zweckvorstellung aus, eine ungehinderte Ausdehnung des Kolbenkopfes von dem 40
übrigen Kolbengehäuse zuzulassen. Die Zweckvorstellung, welche der Erfindung zugrunde liegt, kann
dieser Stand der Technik nicht vermitteln.

Gehäuseteile im Sinne der Erfindung sind beim

bevorzugten Beispiel des Abgasturboladers die den 45 Einhaltung einer konstanten Abmessung des Spaltes 8.

Turbinenarbedtsraurn nach außen abschließende Eine andere, nicht dargestellte Ausführungsform

Schottwand und gegebenenfalls vorgesehene Tragele- des Blechringes 5 sieht vor, diesen mit Kühlrippen

mente. Die Schottwand kann hier gemäß der Erfin- zu versehen. Diese Ausführungsform wird sich über-

dung aus einem winkelförmigen Blechring bestehen, all dort bewähren, wo eine zusätzliche, wirksamere

bei dem ein Schenkel den im Bereich der Turbinen- 50 Kühlung erwünscht ist.

scheibe gelegenen scheibenförmigen Teil der Schott- Auch ist vorgesehen, die Blechteile in sonst an sich wand ersetzt und dessen anderer Schenkel eine die bekannter Weise durch körperschalldämpfende Mittel Welle hülsenförmig umfassende Verbindung mit dem schalltot zu machen. Die beiden letztgenannten Maß-Lagergehäuse darstellt. Durch diese Verformungen nahmen führen im übrigen zu einer äußerst wirkwird dem Blechring gleichzeitig in vorteilhafter Weise 55 samen Versteifung der erfindungsgemäßen Blecheine gewisse Steifigkeit verliehen. Um die Verbindung teile.

Claims

Patentansprüche: gestellte Lager vor Temperatureinwirkungen geschützt ist und das zu verdichtende Medium im Ladergehäuse 7 nicht weiter erwärmt wird. Im übrigen ist die Anordnung des Blechteiles 5 a in bezug auf die übrige Schottwand 5 so getroffen, daß der Spalt 8 zwischen der Schottwand 5 und den Schaufeln 3 α des Turbinenrades 3 noch vom Gußteil begrenzt wird. Diese Maßnahme gewährleistet die zusätzlich oder in anderer Weise stabiler zu gestalten, ist gedacht, am Umfang einige Träger einzufügen, die gemäß der Erfindung ebenfalls aus einem Material mit geringerer Wärmeleitfähigkeit bestehen. Die Turbinenlaufradwelle kann im Bereich des hülsenförmigen Teiles nach einem weiteren Gedanken der Erfindung ganz oder teilweise hohl ausgeführt sein. Durch das Zusammenwirken der beiden Wärmedrosselstellen wird eine optimale Verringerung des Wärmeflusses erreicht. Zur Erzielung einer guten Verbindung zwischen Blech- und Gußteilen kann man im übrigen dieBlech-

1. Gußgehäuse von Radialströmungsmaschinen mit hohen Arbeitsmitteltemperaturen, insbesondere von Abgasturboladern, bei denen das Turbinengehäuse durch eine radiale Schottwand abgeschlossen ist, die einen zentralen Durchtritt für die Welle des Turbinenlaufrades besitzt und hier mit dem die Welle stützenden Lagergußgehäuse verbunden ist und die an ihrem äußeren Umfang eine die Laufradnabe fortsetzende Begrenzung der Laufradschaufelkanäle darstellt, dadurch ge-

kennzeichnet, daß die Schottwand im Bereich der offenen Schaufelkanäle des Turbinenlaufrades in Guß und anschließend zum Wellendurchtritt hin aus einem Blechring besteht, der mit seinen Rändern auf der einen Seite in den Gußteil der Schottwand und an der anderen Seite in das Lagergehäuse in sonst an sich bekannter Weise eingegossen ist.

2. Gußgehäuse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Blechring die Form eines Winkels besitzt, wobei der eine Schenkel die scheibenartige Fortsetzung der Schottwand und der andere eine die Turbinenlaufradwelle konzentrisch umgebende Hülse darstellt.

3. Gußgehäuse nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Turbinenlaufradwelle im Bereich des hülsenförmigen Teiles des Blechringes ganz oder teilweise hohl ausgeführt ist.

4. Gußgehäuse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Turbinengehäuse mit dem Lagergehäuse zusätzlich durch aus Blech geformte Verstrebungen verbunden ist, die mit ihren Enden in die Gehäuseteile eingegossen sind.

5. Gußgehäuse nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils die mit den Gußteilen verbundenen Ränder bzw. Enden der Blechteile in an sich bekannter Weise Verankerungsmittel, z. B. Rippen, Löcher und sonstige Verformungen u. dgl., aufweisen.

6. Gußgehäuse nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die das Lagergehäuse und das Turbinengehäuse verbindende Blechteile Kühlrippen aufweisen.

7. Gußgehäuse nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Blechteile in bekannter Weise schalltot gemacht sind.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschriften Nr. 966 394, 806 925;
schweizerische Patentschrift Nr. 326 303;
französische Patentschrift Nr. 1 024 758;
USA.-Patentschriften Nr. 2 860 827, 1842745;
Hütte I, Theoretische Grundlagen, 28. Auflage, Verlag Ernst & Sohn, Berlin 1955, S. 1154:

Mickel, Sommer, Wiegand, Heft 6 der Konstruktionsbücher »Berechnung und Gestaltung der Triebwerke schnellaufender Kolbenkraftmaschinen«, Springer-Verlag, Berlin 1942, S. 21.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen