DE4426522A1 - Strömungsmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Strömungsmaschine mit wenigstens einem von einer Strömung axial durchsetzten Laufrad, vorzugsweise Gasturbinenlaufrad, mit einem die Strömung von der axialen in eine radiale Richtung umlenkenden Abströmgehäuse, das über einen in es hineinragenden, dem Laufrad nachgeordneten Diffusor beaufschlagbar ist, der durch eine Außenschale und vorzugsweise eine Innenschale begrenzt ist. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Strömungsmaschine.

Eine Anordnung dieser Art kann beispielsweise als Abgasturbine zum Antrieb einer Ladepumpe Verwendung finden. Bei den bekannten Anordnungen dieser Art sind die Innenschale und die Außenschale rotationssymmetrische Teile, die konzentrisch angeordnet sind und einen bezüglich der Achse allseits symmetrischen Austrittsquerschnitt begrenzen. Dieser hat dementsprechend die Form eines zur Achse konzentrischen Rings. Die der Strömung aufgeprägte Umlenkung verursacht dabei im Bereich der Austrittsseite des Laufrads unterschiedliche statische Drücke. Dies gilt insbesondere für den Bereich der Schaufelspitze. An der Innenseite der Umlenkung, d. h. im dem Auslaßstutzen des Abströmgehäuses zugewandten Bereich ist der statische Druck, wie Versuche gezeigt haben, geringer als an der Außenseite der Umlenkung, d. h. im auslaßstutzenfernen Bereich. Infolge dieses Druckunterschieds ist die Durchströmung des Schaufelgitters insbesondere im Bereich der Schaufelspitzen instationär und periodisch mit der Drehzahl des Laufrads, d. h. bei jeder Umdrehung des Laufrads durchläuft jede Schaufel den Bereich hohen und niedrigen Drucks, so daß sich über der Zeit eine sinusförmige Beanspruchung ergibt. Dies führt dazu, daß die Turbinenschaufeln zu Schwingungen angeregt werden. Zudem ergibt sich durch den genannten Druckunterschied eine zusätzliche Querkraft, die zu einem unruhigen Lauf des Laufrads führt. Hinzu kommt, daß mit der instationären Strömung im Laufrad unerwünschte Strömungsverluste entstehen.

Hiervon ausgehend ist es daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Strömungsmaschine eingangs erwähnter Art unter Vermeidung der Nachteile der bekannten Anordnungen mit einfachen und kostengünstigen Mitteln so zu verbessern, daß der Druck im Bereich der Austrittsseite des Laufrads vergleichmäßigt wird.

Diese Aufgabe ist in überraschend einfacher Weise dadurch lösbar, daß der Diffusor einen bezüglich der Achse des Laufrads asymmetrischen Austrittsquerschnitt aufweist.

Diese Maßnahmen geben die einfache Möglichkeit an die Hand, dort wo bisher der maximale Druck zu erwarten war, d. h. an der Außenseite der Umlenkung, die Geschwindigkeit zu erhöhen und damit den Druck abzusenken und umgekehrt. Hierzu ist einfach der Austrittsquerschnitt gegenüber einer konzentrischen Anordnung in Richtung des maximalen Drucks zu verschieben.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und zweckmäßige Fortbildungen der übergeordneten Maßnahmen sind in den Unteransprüchen angegeben. So kann der austrittseitige Rand der Außenschale des Diffusors zweckmäßig eine in Richtung der Achse des Laufrads kreisförmige Projektion aufweisen. Dies erleichtert in vorteilhafter Weise die Herstellung und Montage der Außenschale. Diese kann in vorteilhafter Weise zunächst als rotationssymmetrisches Teil vorgefertigt werden, das dann austrittsseitig nur noch exzentrisch beschnitten wird. Dies ermöglicht in vorteilhafter Weise die Verwendung bisheriger Außenschalen als Zwischenprodukt. Es ist daher eine einfache Umarbeitung bereits laufender Anordnungen möglich. Da der laufradsseitige Bereich der Außenschale zur Laufradachse konzentrisch bleibt, kann in vorteilhafter Weise auch die bisherige Verbindung mit dem Turbinengehäuse beibehalten werden.

Ein besonders bevorzugtes Verfahren zur Herstellung kann darin bestehen, daß die Außenschale zunächst konzentrisch zu ihrer Achse gedreht, dann um die gewünschte Exzentrizität des Austrittsquerschnitts versetzt und anschließend im Bereich des Austrittsquerschnitts auf einen Schnittkreisdurchmesser abgedreht wird, der kleiner als der Durchmesser des ursprünglichen Austrittsquerschnitts ist, wobei die Drehung um die ursprüngliche Achse erfolgt. Die Verschneidung der zur Laufradachse rotationssymmetrischen Außenschale mit einem hierzu exzentrischen, kleineren Schnittkreis ergibt einen bezüglich der Laufradachse geneigten, exzentrischen Austrittsquerschnitt mit in Achsrichtung kreisförmiger Projektion des äußeren Rands, womit eine Masseverteilung erreicht wird, die zu den erwünschten Geschwindigkeits- und Druckverhältnissen führt.

Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Hierbei zeigen:

Fig. 1 einen Axialschnitt durch einen erfindungsgemäßen Abgas-Turbolader,

Fig. 2 eine schematische Stirnansicht des Auslaßquerschnitts des Diffusors der Anordnung gemäß Fig. 1 und

Fig. 3 die Außenschale im Schnitt.

Der Aufbau und die Wirkungsweise eines Abgas-Turboladers sind ansich bekannt und bedürfen daher im vorliegenden Zusammenhang keiner näheren Erläuterung mehr.

Der der Fig. 1 zugrundeliegende, einstufige Abgas-Turbolader besitzt ein Axialturbinen-Laufrad 1 und ein hiervon antreibbares Pumpenrad 2.

Hierzu sind das Laufrad 1 und das Pumpenrad 2 auf einer gemeinsamen Welle 3 aufgenommen. Das Axialturbinen-Laufrad 1 ist in einem rohrförmigen, mit Abgas beaufschlagbaren Turbinengehäuse 4 angeordnet, das in ein Abströmgehäuse 5 mündet, das einen umlaufenden Bogenkanal 6 und einen hiervon radial abgehenden Auslaßstutzen 7 aufweist. Durch das Abströmgehäuse 5 wird die axial, d. h. in Richtung der Achse des Laufrads 1 ankommende Strömung um 90° in eine radiale Richtung umgelenkt.

Zur Verbesserung des Turbinenwirkungsgrads ist in das Abströmgehäuse 5 ein an das Turbinengehäuse 4 anschließender Diffusor 8 eingebaut. Dieser besitzt einen koaxial zur Achse des Laufrads angeordneten Innenmantel 9 und einen diesen umfassenden Außenmantel 10. Zwischen Innenmantel 9 und Außenmantel 10 befindet sich ein im Querschnitt ringförmiger Strömungskanal 11. Der Innenmantel 9 ist als die Welle 3 aufnehmende Ausbuchtung des Pumpengehäuses ausgebildet. Der Außenmantel 10 besitzt einen an das Turbinengehäuse 4 anschließenden Konus, der in einen Torus übergeht, dessen Rand den Austrittsquerschnitt 12 des Diffusors 5 begrenzt. Der Außenmantel 10 ist wie der Innenmantel 9 koaxial zur Achse des Laufrads 1 angeordnet. Der Außenmantel 8 ist jedoch im Bereich seiner dem Auslaßstutzen 7 zugewandten Seite gegenüber der auslaßstutzenfernen Seite verkürzt. Dies ergibt einen von einer zur Achse des Laufrads 1 lotrechten Ebene abweichenden, geneigten bzw. gekrümmten Verlauf des Auslaßquerschnitts 12. Dieser besitzt dementsprechend eine bezüglich der Achse des Laufrads 1 exzentrische Konfiguration, wobei der Radius des den Austrittsquerschnitt 12 begrenzenden Rands des Außenmantels 8 im auslaßstutzennahen, hier oberen Scheitelbereich, also im Bereich der Innenseite der Strömungsumlenkung, am kleinsten und im auslaß­ stutzenfernen, hier unteren Scheitelbereich, also im Bereich der Außenseite der Strömungsumlenkung, am größten ist.

Durch diese Exzentrizität des Austrittsquerschnitts 12 wird erreicht, daß im auslaßstutzennahen Bereich, also im Bereich der Innenseite der Strömungsumlenkung, der Druck erhöht und im auslaßstutzenfernen Bereich, also im Bereich der Außenseite der Strömungsumlenkung, der Druck abgesenkt werden. Hierdurch wird eine Vergleichmäßigung des bei rotationssymmetrischer Ausbildung des Austrittsquerschnitts 12 feststellbaren Druckunterschieds zwischen Innen- und Außenseite der Strömungsumlenkung erreicht.

Die genannte Exzentrizität des Austrittsquerschnitts 12 könnte auch durch eine entsprechend exentrische Ausbildung des Torusbereichs des Außenmantels 10 ereicht werden. Eine derartige Herstellung wäre jedoch gegenüber der dargestellten Verkürzung schwierig. Zur einfachen Bewerkstelligung der genannten Verkürzung wird der Außenmantel 10 im Bereich des Austrittsquerschnitts exzentrisch zu seiner Achse und mit gegenüber seinem größten Radius verkleinertem Radius abgedreht, wie aus den Fig. 2 und 3 anschaulich entnehmbar ist.

Hierzu wird zunächst von einer bisher üblichen, rotationssymmetrischen Außenschale ausgegangen, bzw. eine rotationssymmetrische Außenschale bisher üblicher Konfiguration gedreht, deren austrittsseitiger, zur Mittelachse a konzentrischer Rand in Fig. 2 mit einer unterbrochenen Linie dargestellt ist. Anschließend wird dieses Bauteil in Form einer bisher üblichen Außenschale austrittsseitig exzentrisch abgedreht. Hierzu wird das Bauteil mit der Konfiguration einer bisher üblichen Außenschale exzentrisch zur Spindelachse einer Drehbank auf deren Werkstückaufnahme aufgenommen. Die Exzentrizität ist in Fig. 2 bei e angedeutet. Dieses exzentrisch aufgespannte Bauteil wird anschließend austrittsseitig abgedreht, wobei der Schnittkreisradius r kleiner als der Radius R des ursprünglichen Torusrands 12a ist. Der Rand der dabei gebildeten Verschneidung zwischen dem zur Mittelachse a konzentrischen Torus und dem zur Mittelachse a exzentrischen Schnittkreis mit Radius r ergibt dabei den Rand 12b des gegenüber der Mittelachse a geneigt bzw. gekrümmt verlaufenden Austrittsquerschnitts 12. Der sichelförmige Bereich zwischen den in Fig. 2 bei 12a und 12b angedeuteten Rändern wird dabei entfernt. Hierdurch ergibt sich außerhalb des Berührungsbereichs der die Ränder 12a, 12b darstellenden Kreise im hier unteren Scheitelbereich eine zum gegenüberliegenden Scheitelbereich hin sich vergrößernde Verkürzung der Außenschale 10, wie in Fig. 3 bei v angedeutet ist. Obwohl der Austrittsquerschnitt 12 gegenüber der Achse a geneigt bzw. gekrümmt ist, erscheint der Rand 12a des Austrittsquerschnitts 12 in der achsparallelen Projektion als Kreis, wie Fig. 2 zeigt.

Die Exzentrizität e und der Radius r ergeben zusammen den Radius R, wie am besten aus Fig. 3 erkennbar ist. Die einzelnen Größen sind dabei den Verhältnissen des Einzelfalls anzupassen. Im dargestellten Beispiel soll die Exzentrizität e 10-20% des Radiuses R betragen. Der Radius r des Schnittkreises und dementsprechend des Rands 12b soll 80-90% des Radiuses R des ursprünglichen, austrittsseitigen Rands 12a betragen.

Claims (9)

1. Strömungsmaschine mit wenigstens einem von einer Strömung axial durchsetzten Laufrad (1), vorzugsweise Gasturbinenlaufrad, und einem die Strömung von der axialen in eine radiale Richtung umlenkenden Abströmgehäuse (5), das über einen in es hineinragenden, dem Laufrad (1) nachgeordnetem Diffusor (8) beaufschlagbar ist, der durch eine Außenschale (10) und vorzugsweise eine Innenschale (9) begrenzt ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Diffusor (8) einen bezüglich der Achse des Laufrads (1) asymmetrischen Austrittsquerschnitt (12) aufweist.

2. Strömungsmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Austrittsquerschnitt (12) des Diffusors (8) bezüglich der Achse des Laufrads (1) in Richtung Außenseite der Umlenkung versetzt ist.

3. Strömungsmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Austrittsquerschnitt (12) des Diffusors (8) bezüglich der Achse des Laufrads (1) geneigt und/oder gekrümmt ist.

4. Strömungsmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der austrittsseitige Rand (12b) der Außenschale (10) in Richtung der Achse des Laufrads (1) eine kreisförmige Projektion aufweist.

5. Strömungsmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine zur Achse des Laufrads (1) koaxiale Außenschale (10) vorgesehen ist, die im Bereich des Austrittsquerschnitts 12 entlang eines zu ihrer Achse exzentrischen, hierzu lotrechten Schnittkreises, dessen Durchmesser kleiner als der des ursprünglichen Austrittsquerschnitts ist, beschnitten ist.

6. Strömungsmaschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Summe aus Exzentrizität (e) und Radius (r) des Schnittkreises dem Radius (R) des ursprünglichen Austrittsquerschnitts entspricht.

7. Strömungsmaschine nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Exzentrizität (e) des Schnittkreises 10-20% des Radiuses des ursprünglichen Austrittsquerschnitts beträgt.

8. Strömungsmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Radius (r) des Schnittkreises 80-90% des Radiuses (R) des ursprünglichen Austrittsquerschnitts beträgt.

9. Verfahren zur Herstellung einer Strömungsmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenschale (10) zunächst konzentrisch zu ihrer Achse gedreht, dann um die Exzentrizität (e) versetzt und anschließend im Bereich des Austrittsquerschnitts auf den Schnittkreisdurchmesser abgedreht wird, wobei die Drehung um die ursprüngliche Achse erfolgt.