EP0204033B1

EP0204033B1 - Strömungsmaschine

Info

Publication number: EP0204033B1
Application number: EP85116447A
Authority: EP
Inventors: Werner Leicht; Jürgen Giesselmann; Georg Ruetz
Original assignee: MTU Friedrichshafen GmbH; MTU Motoren und Turbinen Union Friedrichshafen GmbH
Current assignee: Rolls Royce Solutions GmbH
Priority date: 1985-05-09
Filing date: 1985-12-21
Publication date: 1988-06-15
Also published as: EP0204033A1; JPS61258903A; DE3516738A1; DE3516738C2; JPH0421043B2; US4702672A

Description

Die Erfindung betrifft eine Strömungsmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruches 1, wie sie beispielsweise aus der DE-A 23 33 525 als bekannt hervorgeht.
In der eingangs genannten Schrift ist ein Abgasturbolader mit einem Radialverdichter und einer Radialturbine aufgezeigt. In einem vom Strömungsmittel radial durchströmten Ringkanal des Turbinengehäuses sind verstellbare Leitschaufeln angeordnet. Die Leitschaufeln sind jeweils an einer Schmalseite mit Lagerzapfen versehen, die in Lagerbohrungen in der zum Lagergehäuse angrenzenden Ringkanalwand drehbar gelagert sind. An den Lagerzapfen greifen Betätigungshebei an, die mit einem Verstellring zusammenwirken. Zwischen den Ringkanalwänden und den Schmalseiten der Leitschaufeln ergeben sich Spalte, die den Wirkungsgrad der Strömungsmaschine beeinflussen. Die Spaltweite ist bei der aufgezeigten Konstruktion, bei der die Toleranzen aneinandergesetzter Gehäuseteile die Ringkanalbreite bestimmen, besonders ungünstig. Denn die Maßhaltigkeit eines aus verschiedenen Teilen zusammengesetzten Bauteiles, wie es beispielsweise das Verdichtergehäuse und das Turbinengehäuse darstellt, wobei letzteres entgegen der Zeichnung nicht einstückig ausgeführt sein kann, wenn Laufrad und Leitschaufeln angebaut werden sollen, ist von den vorgegebenen konstruktiven Toleranzen abhängig, die mit wirtschaftlich vertretbarem Aufwand noch herstellbar sind. Eine nachträgliche Bearbeitung der maßgebenden Gehäusewandungen ist in zusammengesetztem Zustand nicht mehr möglich. Dementsprechend kann der Abstand zwischen den Ringkanalwänden zwischen einem Minimal- und Maximalwert variieren. Die Schaufelbreiten müssen kleiner als die Minimalbreite des Ringkanals gewählt werden. Berücksichtigt werden muß bei der Wahl der Schaufelbreite auch der Einfluß des Verzugs der Gehäuseteile aufgrund der Verschraubung und der Druck- und Wärmebelastung des Gehäuses. Dies führt, wie schon erwähnt, zu unerwünscht großen Spalten und entsprechender Beeinflussung des Wirkungsgrades.
In der US-A 3 408 049 ist eine Strömungsmaschine dargestellt, deren Leitschaufeln an beidseitig angebrachten Lagerstiften drehbar gelagert sind. Auch hier sind, um die Beweglichkeit der Leitschaufeln in allen Temperaturbereichen zu gewährleisten, ausreichend große Spalte zwischen den Strömungswandungen und den Schmalseiten der Leitschaufeln vorzusehen.
In einer Ausbildung nach der GB-A 861 630 liegen die Leitschaufeln unter gänzlicher Vermeidung von Spalten mit ihren Schmalseiten an den Wandungen des Strömungskanals an. Um dennoch die Beweglichkeit, und damit die Einstellbarkeit der Leitschaufeln in allen Temperaturbereichen zu sichern, wird der Strömungskanal im Bereich der Leitschaufeln auf einer Seite durch eine Wandscheibe gebildet, die durch Federn axial nachgiebig abgestützt ist. Wärmeverzug führt nicht zum Klemmen der Leitschaufeln, weil die axial nachgiebige Wandscheibe entsprechende Ausgleichsbewegungen ausführt. Nachteilig an dieser Ausbildung ist der hohe bauliche Aufwand bei großer Bauteilvielfalt. Wegen der geringen Standfestigkeit von Federelementen bei hohen Temperaturen ist ihre Verwendung im Heißgasbereich der Turbinen von Abgasturboladern nicht empfehlenswert. Nachteilig ist ferner, daß infolge der seitlichen Anlage der Leitschaufeln erhöhte Kräfte zu ihrer Verstellung aufzubringen sind, die in der Regel das Arbeitsvermögen der verwendeten einfachen Stellvorrichtungen. beispielsweise Druckdosen, übersteigen. Es werden deshalb entsprechend aufwendige Stellvorrichtungen nötig. Die aufgrund der Anlage entstehenden Reibungskräfte beim Verstellen der Leitschaufeln bewirken ferner eine unerwünschte Hysterese, die ein genaues Einstellen der Leitschaufeln auf den jeweiligen Strömungszustand erschweren oder verhindern.
In der GB-A 880 903 sollen durch ähnliche konstruktive Maßnahmen Spaltverluste verhindert werden. Anstelle von Schraubenfedern wird zum spaltfreien Andrücken der Schmalseiten der Leitschaufeln eine Ringfeder verwendet, durch die ein eine Strömungswand bildender Ring belastet wird. Die gegenüberliegende Strömungswand wird von einem Wandstück gebildet, das mit den Leitschaufeln offensichtlich einstückig ausgebildet ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Strömungsmaschine bezüglich der Lagerung der Leitschaufeln konstruktiv möglichst einfach und betriebssicher zu gestalten und dabei den Wirkungsgrad durch Verringerung der Spaltverluste zu verbessern.
Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Einrichtung durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Der Leitschaufelträger, bestehend aus zwei Wandringen, die über Verbindungsstege starr und unlösbar miteinander verbunden sind, bildet ein separates Bauteil, das einen einstückigen Lagerkäfig mit seitlichen Strömungsflächen für die Leitschaufeln darstellt. An diesem konstruktiv einfachen Bauteil kann der Raum für die Leitschaufeln in seiner axialen Breite sehr genau auf Maßhaltigkeit bearbeitet werden, was geringe Spaltbreiten und entsprechend verbesserte Wirkungsgrade bedeutet. In einer Ausgesteltung der Erfindung ist der Leitschaufelträger einseitig derart im Gehäuse gehaltert, daß Verzüge von Lager-und Strömungsgehäuse infolge Wärme- und Druckbelastung sich nicht auf den Leitschaufelträger übertragen und solche Einflüsse folglich bei der Festlegung der Spaltweiten auch nicht berücksichtigt werden müssen.
Vorteilhaft ist ferner, daß das Strömungsgehäuse mit Strömungsmittelein- und -auslaß gegenüber dem Lagergehäuse in beliebige Positionen verdreht werden kann, ohne daß die Leitschaufelpositionen verändert werden, da sie ja vollständig gehäuseunabhängig im Leitschaufelträger gelagert sind.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigen :

Fig. 1 einen Längsschnitt durch die Turbine eines Abgasturboladers mit in einem Leitschaufelträger gelagerten verstellbaren Leitschaufeln ;
Fig. 2 einen Querschnitt durch die Turbine entlang der in Fig. 1 eingetragenen Schnittlinie II-11 ;
Fig. 3 bis 5 die Ausbildung von Lagerzapfen und Lagerbohrung des Leitschaufelträgers in drei Blickrichtungen.

Fig. 1 ist ein Längsschnitt durch die Turbine 1 eines Abgasturboladers. Der über eine gemeinsame Welle 2 mit der Turbine 1 verbundene zugehörige Strömungsverdichter ist hier nicht dargestellt. Über einen am Strömungsgehäuse angeschraubten Klemmring ist das Strömungsgehäuse axial gegen das Lagergehäuse Verspannt. Im Lagergehäuse ist die Welle 2 gelagert. In einem Ringkanal, der sich radial erstreckt, und der vom Strömungsmittel von außen nach innen durchströmt wird, sind verstellbare Leitschaufeln 7 angeordnet. Die Leitschaufeln 7 sind in einem Leitschaufelträger 8 drehbar an Lagerzapfen 9 gelagert, die in Lagerbohrungen 10 eines äußeren - strömungsmittelauslaßseitigen und inneren - lagergehäuseseitigen - seitlichen Wandringes des Leitschaufelträgers 8 eingreifen. Die Wandringe sind über einige Verbindungsstege, die in der Strömung liegen, zum Leitschaufelträger zusammengefügt. Die Verbindungsstege verbinden die Wandringe starr miteinander. Sie sind beispielsweise mit den Wandringen verschweißt oder in anderer Weise unlösbar mit den Wandringen verbunden.
Im Bereich der Leitschaufeln 7 bilden die Innenflächen der Wandringe wenigstens teilweise die Begrenzungs- oder Stromungsflächen für das den Ringkanal 6 durchströmende Strömungsmittel. Lagergehäuseseitig wird die Strömungsfläche im Bereich der Leitschaufeln teilweise auch durch den mit vorzugsweise in den Strömungskanal hineinragenden Nocken 11 versehenen Stellring 12 gebildet. Damit keine strömungsstörenden Bauteilkanten auftreten, stellt der Stellring 12 auch im Bereich der Laufradschaufeln die seitliche Strömungsfläche dar. Am Leitschaufelträger 8 ist ferner ein Ringflansch 13 angeformt, der mit seiner Stirnfläche 14 am Lagergehäuse 3 abgestützt ist und zugleich an einer Außenschulter gegen das am Lagergehäuse 3 abgestützte Strömungsgehäuse 5 verspannt ist. In dieser Weise axial fixiert, kann zwischen dem äußeren Wandring und der Gehäuseaussparung, in die er eingebettet ist, ein axialer Dehnungsspalt 16 vorgesehen sein, der eine axiale Ausdehnung des Leitschaufelträgers 8 zuläßt. Infolge von Wärme-oder Druckdehnungen der Gehäuseteile auftretender Verzug des Gehäuses wird bei dieser einseitigen Einspannung des Leitschaufelträgers am Ringflansch aber nicht übertragen. Zwischen der Stirnfläche 14 des am Leitschaufelträger 8 angeformten Ringflansches 13 und dem Lagergehäuse 3 ist ferner ein Abschnitt eines Hitzeschildes 17 eingespannt, das übermäßigen Wärmeabfluß zum Lagergehäuse 3 unterbindet und im Bereich des Laufrades 18 die Strömungswandung darstellt. Ein sich axial erstreckender Abschnitt des Stellringes 12 ist zwischen einer Innenschulter des Ringflansches 13 und dem am Lagergehäuse 3 abgestützten Hitzeschild 17 axial aber drehbar festgelegt. Zum Verstellen des Stellringes 12 ist im Lagergehäuse 3 eine Stellwelle 19 angeordnet, deren Drehungen auf einen Betätigungshebel 10 übertragen werden, der mit einem axialen Zapfen 21 in eine Lasche 22 eingreift, die mit dem Stellring 12 verbunden ist. Im Durchgang der Stellwelle 19 durch das Hitzeschild 17 ist die Stellwelle 19 vorzugsweise in einer wärmeisolierenden Keramikbuchse 23 gelagert. Um Gasdichtheit zu erreichen, kann die Stellwelle 19, wie jedoch nicht dargestellt, axial mit einer Feder gegen die Keramikbuchse verspannt sein.
Fig. 2 zeigt eine Querschnittsansicht der Turbine 1 entlang der in Fig. 1 eingezeichneten Schnittlinie II-II. In einer Hälfte der Querschnittsansicht ist der Zapfen 21 der Stellwelle 19 dargestellt, der in die Lasche 22 eingreift, welche über einen Stift 24 mit dem radial eingezogenen Rand des Stellringes 12 verbunden ist. Der Stift 24 greift, wie jedoch nicht dargestellt, in ein in Umfangsrichtung verlaufendes Langloch des Hitzeschildes 17 ein, wodurch der Stellweg begrenzt ist. Es sei an dieser Stelle auch auf eine andere, nicht dargestellte Möglichkeit hingewiesen, den Stellweg zu begrenzen. Ein radial auswärts ausgerichteter, mit dem Stellring verbundener Begrenzungsstift greift in eine begrenzte Aussparung des Ringflansches des Leitschaufelträgers ein. Vorteilhaft ist hier die bessere Wärmeabschirmung zum Heißgasraum, denn eine Aussparung zum Durchtritt des Begrenzungsstiftes entfällt.
In der anderen Hälfte der Querschnittsansicht der Fig. 2 ist der Stellring 12 mit seinen nockenförmigen Erhebungen dargestellt, die im Bereich der Leitschaufelenden mit den Leitschaufeln 7 zu ihrer Anstellungsänderung für unterschiedliche Betriebsbedingungen des Abgasturboladers zusammenwirken. Die Nockenform ist strömungsgünstig, vorzugsweise in Form von Schaufelprofilen ausgebildet.
Fig. 3 bis 5 zeigen die Lagerung einer Leitschaufel in verschiedenen Ansichten.
Fig. 3 zeigt einen Schnitt im Bereich der Lagerung durch den lagergehäuseseitigen Wandring des Leitschaufelträgers 8 quer zum Lagerzapfen 9. Es ist erkennbar, daß die Lagerbohrung 10 im Bereich der Lagerzapfenanbindung einen radialen Zutritt von der Breite des Schaufelprofils besitzt. Auch ist erkennbar, daß der Durchmesser des Lagerzapfens 9 wesentlich größer als die Schaufelbreite ist, so daß trotz der radialen Aussparung der Lagerbohrung eine sichere, verkantungsfreie Führung des Lagerzapfens 9 gewährleistet ist. Die Lagerzapfen können unterschiedliche Durchmesser aufweisen oder unterschiedlich lang sein. Dadurch ist eine falsche Einbaulage beim Einlegen in den Leitschaufelträger ausgeschlossen.
Fig. 4 zeigt die Ansicht der Lagerung entlang der in Fig. 3 eingezeichneten Schnittlinie IV-IV..
Fig. 5 zeigt die Ansicht der Lagerung entlang der in Fig. 4 eingezeichneten Schnittlinie V-V. Aus Fig. 4 und 5 ist erkennbar, daß die Lagerbohrung 10 im äußeren Wandring nur axial zugänglich ist. Das Einführen der Leitschaufeln 7, die mit starr angebundenen Lagerzapfen 9 versehen sind, erfolgt in einer radialen Bewegung und in einer anschließenden axialen Bewegung, in der die Lagerzapfen 9 in die Lagerbohrungen 10 eingesetzt werden. Bei Abschluß der radialen Bewegung befindet sich ein Profilabschnitt der Schaufel im Schlitz der einen Lagerbohrung. Es ist auch denkbar, beide Lagerbohrungen ungeschlitzt auszuführen. Dann jedoch können die Lagerzapfen nicht einstückig mit den Leitschaufeln ausgeführt sein, sondern müssen an die Leitschaufeln ansetzbar ausgebildet sein.
Eine Bauteileinheit, wie sie der Leitschaufelträger darstellt, ist vor dem Einsetzen der Leitschaufein auf genaue Maßhaltigkeit des Raumes für die Leitschaufeln in seiner axialen Breite bearbeitbar. Dies bedeutet, daß die Spaltverluste entsprechend klein gehalten werden und damit Wirkungsgrade erzielbar sind, die günstiger sind, als.bei entsprechender Lagerung der Leitschaufeln zwischen den Gehäusewänden oder mit den Gehäusewandungen verbundenen, aber. nicht starr aneinander gekoppelten Wandringen. Da ferner der Leitschaufelträger im Gehäuse so angeordnet werden kann, daß Verzug des Gehäuses infolge Druckund Wärmespannungen sich auf den Leitschaufelträger nicht übertragen, können die Spalttoleranzen entsprechend noch enger gefaßt werden und der Wirkungsgrad verbessert werden. Wesentlich ist bei diesen erzielten Verbesserungen auch, daß die gehäuseunabhängige Lagerung der Leitschaufeln in einem Leitschaufelträger der dargestellten Bauart eine konstruktiv einfache Ausführung der Strömungsmaschine gestattet. So ist der Zusammenbau der verschiedenen Teile praktisch ohne Werkzeug und bei kurzen Montagezeiten möglich. Verschraubungen in thermisch hoch belasteten Bereichen sind nicht erforderlich, was für die Betriebssicherheit der Strömungsmaschine von großer Wichtigkeit ist.
Vorteilhaft ist ferner, daß das Turbinengehäuse in jeder Drehposition am Lagergehäuse anschraubbar ist, ohne daß die Leitschaufelstellung dadurch geändert wird. Dies ist beim Anbau der Abgasturboladers an unterschiedlichen Motoren von Bedeutung.

Claims

1. Strömungsmaschine mit einem Lagergehäuse (3) für die Lagerung der Welle (2) eines radialen Laufrads (18), und einem an das Lagergehäuse (3) angebauten Strömungsgehäuse (5), sowie mit in einem sich radial erstreckenden Ringkanal (6) des Strömungsgehäuses (5) angeordneten verstellbaren Leitschaufeln (7), die mit Lagerzapfen (9) in Lagerbohrungen (10) der den Ringkanal (6) bildenden Gehäuseteile drehbar gelagert sind, dadurch gekennzeichnet, daß einander im Bereich der Leitschaufeln (7) gegenüberliegende scheibenförmige Wandringe des Strömungsgehäuses (5) mittels Verbindungsstegen zu einer einstückigen Bauteileinheit - dem Leitschaufelträger (8) starr aneinander gekoppelt sind, und die Wandringe die Lagerbohrungen (10) für die Lagerung der Leitschaufeln (7) enthalten, und ihre Oberflächen im Bereich der Leitschaufein (7) seitliche Strömungsflächen bilden.

2. Strömungsmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagerzapfen (9) starr mit den Leitschaufeln (7) verbunden und beidseitig angebracht sind, und die Lagerbohrungen (10) wenigstens eines Wandrings über Schlitze in der Breite der Schaufeldicke radial zugänglich sind, und wenigstens die in den geschlitzten Lagerbohrungen (10) gelagerten Lagerzapfen (9) im Durchmesser wesentlich größer sind, als die Schaufeldicke im Bereich der Lagerzapfenanschlüsse beträgt.

3. Strömungsmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagerzapfen (9) im Bereich der Leitschaufelvorderkanten angebunden sind.

4. Strömungsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Nocken eines Stellringes (12) für die Leitschaufelverstellung in den Strömungskanal hineinragen und strömungsgünstige Schaufelprofilform besitzen.

5. Strömungsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Leitschaufelträger (8) an einem angeformten, sich axial erstreckenden Ringflansch (13) zwischen Lagergehäuse (3) und Strömungsgehäuse (5) axial abgestützt ist.

6. Strömungsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem lagergehäusefernen - außenliegenden - Wandring, und dem Gehäuseteil, in dem er eingebettet ist, eine axiale Dehnfuge (16) ausgebildet ist.

7. Strömungsmaschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß über Stirnfläche (14) und Absätze des am Leitschaufelträger (8) angeformten Ringflansches (13) Hitzeschild (17) und Stellring (12) axial festgelegt sind.