DE3026558A1

DE3026558A1 - Radiale turbomaschinen, insbesondere abgasturbolader fuer brennkraftmaschinen

Info

Publication number: DE3026558A1
Application number: DE19803026558
Authority: DE
Inventors: Reinhard Dipl.-Ing. 2800 Bremen Behnert; Werner Dipl.-Ing. 8070 Ingolstadt Dommes; Wilfried Dipl.-Ing. 8071 Wettstetten Gerwig
Original assignee: Vereinigte Flugtechnische Werke 2800 Bremen GmbH; Audi NSU Auto Union AG; Vereinigte Flugtechnische Werke GmbH; Audi AG; Vereinigte Flugtechnische Werke Fokker GmbH
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1980-07-12
Filing date: 1980-07-12
Publication date: 1982-01-28
Also published as: DE3026558C2

Description

Radiale Turbomaschine, insbesondere Abgasturbolader
für Brennkraftmaschinen Die Erfindung betrifft eine radiale Turbomaschine, insbesondere einen Abgasturbolader für Brennkraftmaschinen, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Bei schnellaufenden Turbomaschinen, insbesondere auch bei Abgasturboladern, bereitet die Abdichtung der Lagerung der Laufräder zum Laufradraum Schwierigkeiten. Durch die sich im Spalt zwischen der Rückwand des Laufrades und der gegenüberliegenden Gehäusewand bildende Sekundärströmung bzw. durch die Zentrifugal-Pumpwirkung an der Strömungsgrenzschicht der Laufrad-Rückwand wird im Bereich der Laufradlagerung ein Unterdruck erzeugt, der bei genügender Druckdifferenz Schmiermittel aus der Laufradlagerung saugt, welches nach außen zum Rand des Laufrades gefördert und im Hauptstrom mitgerissen wird.
Aufgabe der Erfindung ist es, mit einfachen Mitteln die Abdichtung des Laufrades der gattungsgemäßen Turbomaschine zu verbessern, wobei diese Abdichtung ohne gehäuseseitige Vorkehrungen erzielbar sein sollO Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Wie von den Erfindern erkannt wurde, kann sich ab einer bestimmten Spaltweite s eine Sekundärströmung ausbilden, bei der das Medium etwa mit halber Winkelgeschwindigkeit des Laufrades rotiert, wobei die Drallverteilung annähernd der im Kern eines zähen Wirbels entspricht.
Aufgrund der zentrifugalen Strömung an der Grenzschicht des Laufrades ergibt sich eine zentripetale Ausgleichsströmung in der Grenzschicht an der Gehäusewand, wodurch dem Kern eine ringwirbelförmige Strömung überlagert wird. Durch die erfindungsgemäße Anordnung der Umlaufkante wird nun das an der laufradseitigen Grenzschicht nach außen geförderte Medium in den Bereich der zentripetalen Ausgleichsströmung an der Gehäusewand geleitet und von dieser wieder zurück zur Laufradachse gefördert. Es stellt sich somit eine rezirkulierende Strömung ein, die sich dynamisch gegen einen Materialverlust weitgehend selbst einstellt. Die Spaltweite s errechnet sich nach der Gleichung s=1,1Ra 3/5 (2t ) 1/5 wobei Y = die kinematische Zähigkeit (m 2Is) und = = die Winkelgeschwindigkeit des Laufrades ist.
Durch die Merkmale des Patentanspruches 2 wird die Umlaufkante in den Bereich größter Tangentialgeschwindigkeit des Drallkernes des Wirbels gelegt, wodurch eine bestmögliche dynamische Dichtwirkung erzielt wird.
Eine wirksame Umlenkung der zentrifugalen Grenzschicht am Laufrad zur Gehäusewand wird mit den Merkmalen des Patentanspruches 3 erzielt.
Zweckmäßig kann die Umlaufkante durch die Merkmale des Patentanspruches 4 gebildet werden, wodurch eine relativ einfache Konfiguration und ein geringes Gewicht des Laufrades erhalten bleiben.
Durch die Merkmale des Patentanspruches 5 wird eine weiter verbesserte Abdichtwirkung erzielt, in dem die an die Umlaufkante radial nach außen anschließende Laufrad-Rückwand bzw. die Stirnfläche des Ringsteges düsenförmig ausgebildet ist, um die zentripetale Grenzschichtströmung an der Gehäusewand geringstmöglich zu behindern.
Die Erfindung ist im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen mit weiteren Einzelheiten näher erläutert.
Es zeigen in schematischer Darstellung: Fig. 1 ein Laufrad und eine angrenzende Gehäusewand eines erfindungsgemäßen Abgasturboladers im Längsschnitt, Fig. 2 ein weiteres Ausführungsbeispiel mit einem Laufrad mit einem die Umlaufkante bildenden Ringsteg.
Die Fig. 1 zeigt das Turbinen-Laufrad 2 und einen Teil des Gehäuses 4 eines Abgasturboladers. Das Laufrad 2 ist auf einer Welle 6 befestigt, welche mittels eines Gleitlagers 8 im Gehäuse 4 gelagert und mittels eines Dichtringes 10 gegenüber dem Laufradraum abgedichtet ist. Das Gleitlager 8 wird in bekannter Weise mit Schmieröl versorgt.
Die Rückwand 12 des Laufrades 2 ist gegenüber der Gehäusewand 14 mit einem axialen Abstand bzw. einer Spaltweite s angeordnet. An der Rückwand 12 ist eine axial hervorspringende, kreisringförmige Umlaufkante 16 ausgebildet, deren Winkel oC zur gegenüber der Wellenachse senkrechten Rückwand 12 90° beträgt.
Die Umlaufkante 16 ist mit einem Abstand Rs = 0,7 Ra vom Wellenmittel angeordnet. Eine an die Umlaufkante 16 anschließende, zur Gehäusewand 14 geneigte Stirnfläche 18 geht schließlich wieder in einen radialen, äußeren Bereich der senkrechten Rückwand 12 über. Die Spaltweite im äußeren Bereich der Rückwand 12 ist geringer als die innere Spaltweite s.
Die Spaltweite s, die zur besseren Darstellung überproportional gezeichnet ist, ist größer als die Strömungs-Grenzschichtdicke der Rückwand 12 und der Gehäusewand 14. Die Spaltweite s kann errechnet werden gemäß wobei V= die kinematische Zähigkeit (m 2/s) und W = die Winkelgeschwindigkeit des Laufrades 2 ist.
Ausgehend von dieser Spaltweite s ist die Umlaufkante 16 in einer Höhe ausgebildet, daß sie sichbih den Bereich der zentripetalen Ausgleichs-Grenzschichtströmung an der Gehäusewand 12 erstreckt. Es versteht sich jedoch, daß der engste Spalt dem unbedingt erforderlichen, axialen Laufradspiel entsprechen muß, um eine Berührung zwischen dem Laufrad 2 und der Gehäusewand 14 auszuschließen.
Aufgrund der hohen Drehzahlen des Laufrades 2 im Betrieb bildet sich an dessen Rückwand 12 eine zentrifugale Grenzschichtströmung (siehe entsprechende Pfeile in der Fig. 1) aus, die andererseits eine zentripetale Ausgleichs-Grenzschichtströmung an der Gehäusewand 14 und dazwischen eine ringwirbelförmige Strömung bewirkt. Erfindungsgemäß wird die zentrifugale Strömung an der Umlaufkante 16 umgelenkt und in den Bereich der zentripetalen Strömung eingeleitet, so daß sich eine rezirkulierende Strömung ausbildet, die die Lagerung des Laufrades 2 gegenüber dem Laufradraum dynamisch abdichtet.
Die beste Abdichtwirkung wird erzielt, wenn die Umlaufkante 16 in einem Bereich von Rs = 0,59 bis 0,84 Ra ausgebildet ist.
Die Fig. 2 zeigt bruchstückhaft ein Laufrad 20 und eine Gehäusewand 22 eines im übrigen wie in der Fig. 1 dargestellten Abgasturboladers. An der Rückwand 24 des Laufrades 20 ist ein Ringsteg 26 angeformt, dessen eine Fläche die Umlaufkante 28 bildet.
Die Umlaufkante 28 ist in einem Winkel « von 75" zur Rückwand 24 des Laufrades 20 angestellt. Die Stirnfläche 28 des Ringsteges 26 ist gegenüber der Gehäusewand 22 in einem Winkel R geneigt. Dadurch ergibt sich ein die zentripetale Ausgleichsströmung begünstigender, düsenförmiger Spaltquerschnitt im Bereich der Umlaufkante 28.
Die erfindungsgemäße dynamische Abdichtung ist mit wenig Aufwand zu verwirklichen, da die erfindungsgemäßen Maßnahmen nur das Laufrad'betreffen, während die Gehäusewand an ihrer dem Laufrad zugewandten Oberfläche eben ausgebildet sein kann. Die dynamische Abdichtung kann dementsprechend bei bereits im Betrieb befindlichen Turbomaschinen nachgerüstet werden , wobei ggf. das Laufrad entsprechend umzuarbeiten oder auszuwechseln ist. Anstelle nur einer Umiaufkante ist es auch möglich, mehrere Umlaufkanten radial gestaffelt anzuordnen. Bei Abgasturboladern kann das Verdichter-Laufrad gleich dem Turbinen-Laufrad ausgebildet sein.
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft eine radiale Turbomaschine, insbesondere einen Abgasturbolader für Brennkraftmaschinen, mit einem in einem Gehäuse gelagerten Turbinen-Laufrad und ggf. einem Verdichter-Laufrad, welches Laufrad mit seiner Rückwand unter Belassung eines geringen, axialen Spieles bzw. einer Spaltweite s zur benachbarten Gehäusewand angeordnet ist. Um eine Undichtigkeit der Laufrad-Lagerung aufgrund der Pumpwirkung durch die zentrifugale Grenzschichtstromung an der Rückwand des Laufrades zu vermeiden, ist die Spaltweite s zwischen dem Laufrad und der Gehäusewand größer als die Strömungs-Grenzschichtdicke von Laufrad-Rückwand und Gehäusewand ausgebildet und an der Laufrad-Rückwand zumindest eine axial hervorspringende Umlaufkante angeformt, die sich bis in den Grenzschichtbereich der Gehäusewand erstreckt.
L eerbveite

Claims

Radiale Turbomaschine, insbesondere Abgasturbolader für Brennkraftmaschinen Patentansprüche 1. Radiale Turbomaschine, insbesondere Abgasturbolader für Brennkraftmaschinen, mit einem in einem Gehäuse gelagerten Turbinen-Laufrad und ggf. einem Verdichter-Laufrad, welches Laufrad mit seiner Rückwand unter Belassung eines geringen, axialen Spieles bzw. einer Spaltweite s zur benachbarten Gehäusewand angeordnet ist, g e k e n n z e i c h n e t durch die folgenden Merkmale: a) die Spaltweite s ist größer als die Strömungs-Grenzschichtdicke von Laufrad-Rückwand und Gehäusewand, b) an der Laufrad-Rückwand ist zumindest eine axial hervorspringende Umlaufkante (16, 28) ausgebildet, deren Höhe eine größtmögliche Verringerung der Spaltweite s in einem radialen Abstand Rs von der Laufrad-Mitte nach außen bewirkt.
2. Radiale Turbömaschine nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß der radiale Abstand Rs der Umlaufkante zwischen 0,59 bis 0,84 Ra (Außenradius des Laufrades) beträgt.
3. Radiale Turbomaschine nach den Ansprüchen jund 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Winkel c der Umlaufkante (16, 28) zur Rückwand des Laufrades 90" oder kleiner 90° beträgt.
4. Radiale Turbomaschine nach den vorhergehenden Ansprüchen, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Umlaufkante (28) durch einen an die Rückwand (24) des Laufrades (20) angeformten Ringsteg (26) gebildet ist.
5. Radiale Turbomaschine nach Anspruch 4, d a d u r c h g e k e n nz e i c h n e t , daß die der Gehäusewand (22) zugewandte Stirnfläche (30) des Ringsteges (26) gegenüber der Gehäusewand (22) derart geneigt ist, daß ein sich zur Laufrad-Mitte hin verengender Spaltquerschnitt resultiert.