DE3026558C2 - Turbomaschine, insbesondere Abgasturbolader für Brennkraftmaschinen - Google Patents

Description

15

a) die Gehäusewand (14; 22) zumindest im Bereich der Spaltweite sund der Umlaufkante (16; 28) in einer einheitlichen, zur Laufrad-Rückwand (12; 24) parallelen Ebene ausgebildet ist,

b) der Wmkel α zwischen der Umlaufkante (16; 28) und dem zu ihr radial innengelegenen Teil der Laufrad-Rückwand (12; 24) 90° oder kleiner beträgt und

c) der radiale Abstand Rs der Umlaufkante zwischen 0,59 bis 0,84 Ra (Außenradius des Laufrades) liegt.

2. Turbomaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Umlaufkante (28) durch einen an die Laufrad-Rückwand (24) angeformten Ringsteg (2ό/ gebildet ist und die der Gehäusewand (22) zugewandte Strnfläch. (30) des Ringsteges gegenüber der Gehäuspwand derart geneigt ist, daß eine sich zur Laufradmitte hin ' Trengende Spaltweite resultiert.

40

Die Erfindung betrifft eine Turbomaschine, insbesondere einen Abgasturbolader für Brennkraftmaschinen, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Eine derartige Turbomaschine ist durch DE-PS 52 756 bekanntgeworden. Zur dynamischen Abdichtung des Laufrades ist an dessen Rückwand eine hervorspringende Umlaufkante ausgebildet, die in eine Ringschulter der benachbarten Gehäusewand einragt. Die an der Laufrad-Rückwand sich einstellende, zentrifugale Grenzschichtströmung wird somit gegen die Ringschulter gelenkt und nach Art einer Labyrinthdichtung gegen Leckage gedrosselt.

Ähnliche Labyrinthdichtungen für Turbomaschinen sind z.B. der CH-PS 3 17 624, dem SU-Buch von Skubatschewskij, »Flugzeug-Gasturbinen-Triebwerke« sowie dem DE-Buch Pfleiderer/Petermann, »Strömungsmaschinen« entnehmbar.

Bei diesen Labyrinth-Dichtungen sind Vorkehrungen in Form von Stegen. Nuten oder dgl. an der Gehäusewand erforderlich, die eine entsprechend aufwendigere Ausbildung der dem Laufrad benachbarten Gehäusewand bedingen*

Die Strömungsverhältnisse der Grenzschidhtströmüngen an Laufrädern Von Turbomaschinen bei einer Spaltweite s, die ein mehrfaches der Grenzschichtdicke beträgt, ist in dem DE-Buch, Dr. H, Schlichtingi »Grenzschichl'Theorie«. Seite 601, näher definiert Dabei wird festgestellt, daß sich in der Grenzschicht der umlaufenden Scheibe eine zentrifugale Strömung ausbildet, während am ruhenden Gehäuse eine zentripetale Rückströmung stattfindet Die zentripetale Rückströmung kann sich jedoch nur bei einer nicht labyrinthartig ausgebildeten Gehäusewand in einem ungestörten Maße ausbilden.

Labyrinthdichtungen und Formen von Labyrinthzähnen gegenüber einer ebenen Wand sind in dem DE-Buch »Berührungsfreie Dichtungen« (Trutnovsky), Seite 172 behandelt Dabei sind die Labyrinthzähne auf gleicher Höhe, d.h. nicht hervorstehend, ausgebildet Die Strömungsform in den zwischen den Zähnen gebildeten Labyrinthkammern ist im wesentlichen von Wirbel- und Drosselverlusten geprägt; zudem sind Laufräder mit derartigen Labyrinthzähnen kompliziert und aufwendig herstellbar.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein' vereinfachte, dynamische Abdichtung des Laufrades der gattungsgemäßen Turbomaschine zu schaffen, die insbesondere ohne gehäuseseitige Vorkehrungen erzielbar ist.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmaie a) bis c) des Patentanspruches 1 geiö5i. Durch die erfindungsgemäße Anordnung der Umlaufkante wird das an der Iaufradseitigen Grenzschicht nach außen geförderte Medium in den Bereich der zentripetalen Ausgleichsströmung an der ebenen Gehäusewand umgelenkt und von dieser wieder zurück zur Laufradachse gefördert. Es stellt sich somit eine rezirkulierende Strömung ein, die bei geringstem Aufwand eine wirkungsvolle, dynamische Abdichtung des Laufrades sicherstellt Diess Abdichtung kann sogar an bereits in Betrieb befindlichen Turbomaschinen nachgerüstet werden, da am Gehäuse keinerlei Vorkehrungen erforderlich sind.

Durch die Merkmale des Patentanspruches 2 wird die dynamische Abdichtwirkung weiter verbessert weil durch den düsenförmig sich verengenden Spalt zwischen dem Ringsteg und der Gehäusewand die zentripetale Grenzschichtströrmmg geringstmöglich behindert wird.

Die Erfindung ist im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen mit weiteren Einzelheiten näher erläutert.

Es zeigt in schematischer Darstellung:

F i g. 1 ein Laufrad und eine angrenzende Gehäusewand eines erfindungsgemäßen Abgasturboladers im Längsschnitt,

F i g. 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 eier Rückwand 12' ist eine axial hervorspringunde, kreisringförmige Umlaufkante 16 ausgebildet, dsren Winkel cn zur gegenüber der Wellenachse senkrechten Rückwand 12 90° beträgt

Die Ümiaüfkäfite 16 ist mit einem Abstand Rs-QJ Ra vom Wellenmittel angeordnet Eine an die Umlaüfkante 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 Röckwand 12 und der Gehäusewand 14. Die Spaltweite s kann errechnet werden gemäß

s = 1,1 Ra I -

wobei

ν = die kinematische Zähigkeit (m²/s) und

ω = die Winkelgeschwindigkeit des Laufrades 2 ist

Ausgehend von dieser Spaltweite sist die Umlaufkante 16 in einer Höhe ausgebildet, daß sie sich bis in 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-Grenzschichisirömung 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 besie Abdichtwirkung wird erzielt, wenn die Umlaufkante 16 in einem Bereich von Λί=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 F i g. 1

ίο 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 30 des Ringsteges 26 ist gegenüber der Gehäusewand 22 in einem Winkel β 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 I jufrad 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 Umlaufkante ist es auch möglich, mehrere Umlaufkanten radial gestaffelt anzuordnen. Bei Abgasturboladem kann das Verdichter-Laufrad gleich dem Turbinen-Laufrad ausgebildet sein.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentansprüche:

   1, Turbomaschine, insbesondere Abgasturbolader für Brennkraftmaschinen, mit einem in einem Gehäuse gelagerten Turbinenläufer und mit einem Verdichter-Laufrad, dessen Laufrad-Rückwand mit einer Spaltweite s zur benachbarten Gehäusewand angeordnet ist, wobei s größer als die Strömungs-Grenzschichtdicke der Laufrad-Rückwand der Gehäusewand ist, und an der Laufrad-Rückwand zumindest eine axial hervorspringende Umlaufkante ausgebildet ist, deren Höhe eine größtmögliche Verringerung der Spaltweite s in einem radialen Abstand Rs von der Laufradmitte bewirkt, dadurch gekennzeichnet, daß

   10