EP0834646A1 - Containment device for the radial turbine of a turbocharger - Google Patents
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- F05D2220/00—Application
- F05D2220/40—Application in turbochargers
Definitions
- the invention relates to a burst protection device for radial turbines of turbochargers, according to the preamble of the claim 1.
- DE-A1-42 23 496 describes a device for reduction the kinetic energy of bursting parts for those with high Speed revolving machines known.
- This inside An axial turbine device consists of several interconnected guard rings between which each a crumple zone made of ductile material is trained.
- Such a solution is for radial turbines not suitable because of their radial gas entry no burst protection devices in the radial area of the turbine can be used.
- the invention tries to avoid all of these disadvantages. It is based on the task of being simple and safe Burst protection device for radial turbines of turbochargers create and thus the stability of the turbine, respectively the availability of the internal combustion engine connected to it to increase.
- the first burst protection device is internal, i.e. arranged radially between the gas inlet and gas outlet housing and designed as a circumferential burst protection ring, wherein however, the guide vane channel is excluded.
- the second burst protection device is external, i.e. Outside arranged on the gas inlet housing. It is as a spiral Formed sheet metal shell and extends at least over the axial expansion of the turbine wheel. Gas outlet side The burst protection ring also covers at least the axial extent of the turbine wheel.
- burst protection device This creates a relatively simple and safe burst protection device created for radial turbocharger turbines.
- the loose arrangement of the burst protection ring facilitates its assembly and thus leads to lower assembly costs. It comes to When the turbine wheel bursts, the burst protection ring takes one Most of the burst energy. Since the burst protection ring with Except for the guide vane duct, the entire length of the turbine wheel covers, can through the relatively narrow guide vane channel only smaller turbine fragments in the gas inlet casing to be flung. The big fragments which have a large kinetic energy are from Burst protection ring stopped. When smaller fragments Knock through the wall of the gas inlet housing, so these caught by the external burst protection device. Consequently can be achieved by combining internal and external burst protection devices even with very large released energies prevents turbine parts from being thrown out into the environment will.
- a third burst protection device arranged and designed as a steel wire rope package.
- the steel wire rope package is also in the cavity of Gas inlet housing and gas inlet housing, namely on the gas outlet housing side the burst protection ring arranged. It exists from several steel wire ropes, which are parallel to the direction of rotation of the turbine wheel and in at least one row are arranged side by side.
- the exhaust gas turbocharger mainly consists of one shown compressor and designed as a radial turbine Exhaust gas turbine 1.
- the radial turbine 1 has a turbine housing 2, with a spiral gas inlet housing 3 and a gas outlet housing designed as a gas outlet flange 4.
- Turbine wheel 6 with blades 7 rotatably mounted.
- shaft 5 is also not shown Compressor wheel arranged.
- the gas inlet housing 3 goes downstream into a guide vane duct 8 over, in which a nozzle ring 9 between form Gas inlet housing 3 and gas outlet flange 4 is arranged.
- the shaft 5 is in a bearing housing 11 by means of bearings 10 rotatably mounted.
- the gas inlet housing 3 and the bearing housing 11 are via a clamping band arranged in the circumferential direction 12 connected to each other (Fig. 1).
- the gas inlet housing 3 and the gas outlet housing 4 are releasably connected by screws 13. Both parts of the turbine housing 2 each have in their connection area a recess 14.
- the recesses 14 form one common cavity 15, which is a first, as a circumferential Burst protection ring designed burst protection device 16, takes up loosely.
- the burst protection ring 16 is thus radial between the gas inlet housing 3 and the gas outlet flange 4 arranged, however, the area of the guide vane channel 8 is excluded.
- the burst protection ring covers the gas outlet side 16 the turbine wheel 6 in its axial extent completely from. Of course, he can the turbine wheel 6 on this Tower over the side.
- Second burst protection device 17 arranged and detachable via a plurality of screws 18 with the Gas inlet housing 3 connected.
- 17 becomes a high quality material, such as Hastelloy used. This can further increase the protective effect be improved.
- the first and the second burst protection device 16, 17 a third burst protection device 19 gas outlet housing side of the Burst protection ring 16 arranged in the cavity 15.
- This third Burst protection device 19 is designed as a steel wire rope package, which consists of several parallel to the direction of rotation of the Turbine wheel 6 and arranged side by side in a row Steel wire ropes 20 exists (Fig. 2).
- the gas outlet flange 4 has four in its recess 14 parallel to the axis of rotation 21 of the turbine wheel 6 arranged ribs 22 with which the steel wire rope package 19 is positively connected (Fig. 3). These ribs are stiffening, so that an additional Burst protection is achieved.
- a third burst protection device 19 is reduced the likelihood of turbine part leakage out of the turbine housing 2 and thus increases safety of the exhaust gas turbocharger.
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Berstschutzvorrichtung für Radialturbinen
von Turboladern, gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs
1.The invention relates to a burst protection device for radial turbines
of turbochargers, according to the preamble of the
Ein entscheidendes Kriterium zur Leistungssteigerung von mit Abgasturboladern verbunden Brennkraftmaschinen ist der vom Verdichter des Abgasturboladers aufgebrachte Ladedruck. Wird der Ladedruck erhöht, kann mehr Luft in die Zylinder gepresst und so die Leistung der Brennkraftmaschine verbessert werden. Um hohe Ladedrücke zu erreichen, drehen die heute eingesetzten Abgasturbolader mit sehr hohen Umfangsgeschwindigkeiten. Insbesondere bei grösseren Abgasturboladern führt das dazu, dass die Bruchstücke einer geborstenen Laufschaufel nur durch aufwendige konstruktive Massnahmen im Turbinengehäuse zurückgehalten werden können. Aufgrund der grösseren Masse der möglichen Bruchstücke wird dieses Problem bei den sogenannten Integralturbinen noch verstärkt, weil deren Turbinenscheiben und Laufschaufeln einstückig gefertigt sind.A decisive criterion for increasing the performance of with Exhaust gas turbochargers are connected to the internal combustion engine Compressor of the exhaust gas turbocharger applied boost pressure. Becomes the boost pressure increases, more air can be pressed into the cylinders and so the performance of the internal combustion engine can be improved. In order to achieve high boost pressures, those used today turn Exhaust gas turbocharger with very high peripheral speeds. In particular with larger exhaust gas turbochargers, this leads to that the fragments of a broken blade only through complex constructional measures are held back in the turbine housing can be. Because of the larger mass of possible This problem becomes fragments with the so-called Integral turbines reinforced because of their turbine disks and blades are made in one piece.
Um das Durchschlagen von Bruchstücken durch die Aussenwand des Turboladers und somit die Gefährdung von Personen oder eine Beschädigung benachbarter Maschinenteile zu verhindern, werden die heutigen Turbolader im Bereich radial ausserhalb des Turbinenlaufrades mit relativ dicken Wänden im Turbinengehäuse versehen. Diese Lösungen weisen jedoch eine Reihe von Nachteilen auf, wie z.B. das erhebliche Mehrgewicht des Gehäuses und die Gefahr von Lunkerbildungen aufgrund schlechterer Giessbarkeit eines solchen Turbinengehäuses. Ausserdem erwärmt sich ein derart verdicktes Gehäuse unterschiedlich, so dass in der Folge Thermorisse auftreten können. Alle diese Faktoren senken die Standfestigkeit der Turbine und damit die Verfügbarkeit der mit ihr verbundenen Brennkraftmaschine.To break fragments through the outer wall of the turbocharger and thus the danger to persons or to prevent damage to neighboring machine parts, today's turbochargers are in the area radially outside of the turbine impeller with relatively thick walls in the turbine housing Mistake. However, these solutions exhibit a number of Disadvantages such as the considerable additional weight of the housing and the risk of blowholes due to poorer Castability of such a turbine housing. Moreover such a thickened housing heats up differently, so that thermal cracks can occur as a result. All these Factors reduce the stability of the turbine and thus the Availability of the internal combustion engine connected to it.
Aus der DE-A1-42 23 496 ist eine Vorrichtung zur Reduzierung der kinetischen Energie von berstenden Teilen für mit hoher Geschwindigkeit umlaufende Maschinen bekannt. Diese im Inneren einer Axialturbine angeordnete Vorrichtung besteht aus mehreren miteinander verbundenen Schutzringen, zwischen denen jeweils eine aus duktilem Material gefertigte Knautschzone ausgebildet ist. Eine solche Lösung ist jedoch für Radialturbinen nicht geeignet, weil wegen deren radialen Gaseintritt keine Berstschutzeinrichtungen im radialen Bereich der Turbine eingesetzt werden können.DE-A1-42 23 496 describes a device for reduction the kinetic energy of bursting parts for those with high Speed revolving machines known. This inside An axial turbine device consists of several interconnected guard rings between which each a crumple zone made of ductile material is trained. However, such a solution is for radial turbines not suitable because of their radial gas entry no burst protection devices in the radial area of the turbine can be used.
Auch externe Berstschützringe sind bekannt, reichen aber bei der grossen Masse der Turbine ebenfalls nicht aus, um ein Durchschlagen des Turbinengehäuses zu verhindern.External burst protection rings are also known, but are sufficient the large mass of the turbine is also not sufficient to To prevent the turbine housing from striking through.
Die Erfindung versucht, alle diese Nachteile zu vermeiden. Ihr liegt die Aufgabe zugrunde, eine einfache und sichere Berstschutzvorrichtung für Radialturbinen von Turboladern zu schaffen und damit die Standfestigkeit der Turbine, respektive die Verfügbarkeit der mit ihr verbundenen Brennkraftmaschine zu erhöhen.The invention tries to avoid all of these disadvantages. It is based on the task of being simple and safe Burst protection device for radial turbines of turbochargers create and thus the stability of the turbine, respectively the availability of the internal combustion engine connected to it to increase.
Erfindungsgemäss wird dies dadurch erreicht, dass bei einer
Vorrichtung gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1, zwei
Berstschutzeinrichtungen axial im Bereich des Turbinenrades
angebracht sind. Die erste Berstschutzeinrichtung ist intern,
d.h. radial zwischen Gaseintritt- und Gasaustrittgehäuse angeordnet
und als umlaufender Berstschutzring ausgebildet, wobei
jedoch der Leitschaufelkanal ausgenommen ist. Demgegenüber
ist die zweite Berstschutzeinrichtung extern, d.h. aussen
am Gaseintrittgehäuse angeordnet. Sie ist als spiralförmige
Blechhülle ausgebildet und erstreckt sich zumindest über
die axiale Ausdehnung des Turbinenrades. Gasaustrittseitig
deckt der Berstschutzring ebenfalls zumindest die axiale Ausdehnung
des Turbinenrades ab. Dazu weisen das Gaseintrittsowie
das Gasaustrittgehäuse in ihrem Verbindungsbereich jeweils
eine Ausnehmung auf. Beide Ausnehmungen bilden einen
gemeinsamen Hohlraum, in dem der Berstschutzring lose angeordnet
ist. Die zweite Berstschutzeinrichtung ist kraftschlüssig
mit dem Gaseintrittgehäuse verbunden.According to the invention, this is achieved in that
Device according to the preamble of
Damit wird eine relativ einfache und sichere Berstschutzvorrichtung für Radialturbinen von Turboladern geschaffen. Die lose Anordnung des Berstschutzrings erleichtert dessen Montage und führt so zu niedrigeren Montagekosten. Kommt es zum Bersten des Turbinenrades, nimmt der Berstschutzring einen Grossteil der Berstenergie auf. Da der Berstschutzring mit Ausnahme des Leitschaufelkanals die gesamte Länge des Turbinenrades abdeckt, können durch den relativ schmalen Leitschaufelkanal nur kleinere Turbinenbruchstücke in das Gaseintrittgehäuse geschleudert werden. Die grossen Bruchstücke, welche eine grosse kinetische Energie aufweisen, werden vom Berstschutzring aufgehalten. Wenn kleinere Bruchstücke die Wand des Gaseintrittgehäuses durchschlagen, so werden diese von der externen Berstschutzeinrichtung aufgefangen. Somit kann durch die Kombination interner und externer Berstschutzeinrichtungen auch bei sehr grossen freiwerdenden Energien ein Herausschleudern von Turbinenteilen in die Umgebung verhindert werden. This creates a relatively simple and safe burst protection device created for radial turbocharger turbines. The loose arrangement of the burst protection ring facilitates its assembly and thus leads to lower assembly costs. It comes to When the turbine wheel bursts, the burst protection ring takes one Most of the burst energy. Since the burst protection ring with Except for the guide vane duct, the entire length of the turbine wheel covers, can through the relatively narrow guide vane channel only smaller turbine fragments in the gas inlet casing to be flung. The big fragments which have a large kinetic energy are from Burst protection ring stopped. When smaller fragments Knock through the wall of the gas inlet housing, so these caught by the external burst protection device. Consequently can be achieved by combining internal and external burst protection devices even with very large released energies prevents turbine parts from being thrown out into the environment will.
In einer zweiten Ausführungsform der Erfindung ist ausser den beiden o.g. Berstschutzeinrichtungen eine dritte Berstschutzeinrichtung angeordnet und als Stahldrahtseil-Paket ausgebildet. Das Stahldrahtseil-Paket ist ebenfalls im Hohlraum von Gaseintrittgehäuse sowie Gaseintrittgehäuse und zwar gasaustrittgehäuseseitig des Berstschutzrings angeordnet. Es besteht aus mehreren Stahldrahtseilen, welche parallel zur Umlaufrichtung des Turbinenrades und in zumindest einer Reihe nebeneinander angeordnet sind. Bei Verwendung dieser zusätzlichen Berstschutzeinrichtung vergrössert sich die Wahrscheinlichkeit, dass havarierte Turbinenbestandteile im Gehäuse zurückgehalten werden und dadurch auch die Sicherheit des Turboladers erheblich.In a second embodiment of the invention is in addition to both of the above Burst protection devices a third burst protection device arranged and designed as a steel wire rope package. The steel wire rope package is also in the cavity of Gas inlet housing and gas inlet housing, namely on the gas outlet housing side the burst protection ring arranged. It exists from several steel wire ropes, which are parallel to the direction of rotation of the turbine wheel and in at least one row are arranged side by side. When using this additional Burst protection device increases the probability that damaged turbine components in the housing be held back and thereby also security of the turbocharger significantly.
Es ist besonders zweckmässig, wenn in der Ausnehmung des Gasaustrittgehäuses zumindest zwei parallel zur Achse des Turbinenrades angeordnete Rippen ausgebildet sind und das Stahldrahtseil-Paket formschlüssig mit den Rippen verbunden ist. Auf diese Weise wird eine besonders einfache Montage und Befestigung der zusätzlichen Berstschutzeinrichtung gewährleistet.It is particularly useful if in the recess of the gas outlet housing at least two parallel to the axis of the turbine wheel arranged ribs are formed and the steel wire rope package is positively connected to the ribs. In this way, a particularly simple assembly and fastening the additional burst protection device guaranteed.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand eines der Radialturbine eines Abgasturboladers dargestellt.In the drawing is an embodiment of the invention shown using one of the radial turbine of an exhaust gas turbocharger.
Es zeigen:
Es sind nur die für das Verständnis der Erfindung wesentlichen Elemente gezeigt. Nicht dargestellt ist von der Anlage beispielsweise die Verdichterseite des Abgasturboladers u. Die Strömungsrichtung des Arbeitsmittels ist mit Pfeilen bezeichnet.It is only essential for understanding the invention Elements shown. The system is not shown for example, the compressor side of the exhaust gas turbocharger u. The direction of flow of the working fluid is indicated by arrows.
Der Abgasturbolader besteht hauptsächlich aus einem nicht
dargestellten Verdichter und einer als Radialturbine ausgebildeten
Abgasturbine 1. Die Radialturbine 1 besitzt ein Turbinengehäuse
2, mit einem spiralförmigen Gaseintrittgehäuse 3
und einem als Gasaustrittflansch ausgebildeten Gasaustrittgehäuse
4. Im Turbinenghäuse 2 ist ein von einer Welle 5 getragenes
Turbinenrad 6 mit Laufschaufeln 7 drehbar gelagert.
Verdichterseitig ist auf der Welle 5 ein ebenfalls nicht dargestelltes
Verdichterrad angeordnet.The exhaust gas turbocharger mainly consists of one
shown compressor and designed as a radial turbine
Das Gaseintrittgehäuse 3 geht stromab in einen Leitschaufelkanal
8 über, in dem ein Düsenring 9 formschlüssig zwischen
Gaseintrittgehäuse 3 und Gasaustrittflansch 4 angeordnet ist.
Die Welle 5 ist mittels Lagern 10 in einem Lagergehäuse 11
drehbar gelagert. Das Gaseintrittgehäuse 3 und das Lagergehäuse
11 sind über ein in Umfangsrichtung angeordnetes Spannband
12 miteinander verbunden (Fig. 1).The
Das Gaseintrittgehäuse 3 und das Gasaustrittgehäuse 4 sind
durch Schrauben 13 lösbar miteinander verbunden. Beide Teile
des Turbinengehäuses 2 weisen in ihrem Verbindungsbereich jeweils
eine Ausnehmung 14 auf. Die Ausnehmungen 14 bilden einen
gemeinsamen Hohlraum 15, welcher eine erste, als umlaufender
Berstschutzring ausgebildete Berstschutzeinrichtung
16, lose aufnimmt. Der Berstschutzring 16 ist somit radial
zwischen dem Gaseintrittgehäuse 3 und dem Gasaustrittflansch
4 angeordnet, wobei jedoch der Bereich des Leitschaufelkanals
8 ausgenommen wird. Gasaustrittseitig deckt der Berstschutzring
16 das Turbinenrad 6 in seiner axialen Ausdehnung vollständig
ab. Natürlich kann er das Turbinenrad 6 auf dieser
Seite auch überragen.The
Ausserhalb des Gaseintrittgehäuses 3 ist eine als spiralförmige
Blechhülle ausgebildete, zweite Berstschutzeinrichtung
17 angeordnet und über mehrere Schrauben 18 lösbar mit dem
Gaseintrittgehäuse 3 verbunden. Für beide Berstschutzeinrichtungen
16, 17 wird ein hochwertiges Material, wie z.B.
Hastelloy verwendet. Dadurch kann die Schutzwirkung weiter
verbessert werden.Outside the
Beim Betrieb einer nicht dargestellten, mit dem Abgasturbolader
verbundenen sowie als Dieselmotor ausgebildeten Brennkraftmaschine
gelangen deren Abgase zunächst in das Gaseintrittgehäuse
3 der Abgasturbine 1. In dem spiralförmigen Gaseintrittgehäuse
3 werden sie beschleunigt und gelangen über
den Düsenring 9 mit einem optimalen Strömungswinkel zum Turbinenrad
6. Dort werden die Abgase schliesslich entspannt.
Sie geben dabei eine Leistung ab, welche dem Antrieb der
Welle 5 und damit des Verdichterrades dient.When operating a not shown, with the exhaust gas turbocharger
connected and trained as a diesel engine
their exhaust gases first enter the
Unter aussergewöhnlichen Bedingungen ist ein Bersten des Turbinenrades
6 jedoch nicht zu verhindern. Weil beide Berstschutzeinrichtungen
16, 17 axial im Bereich des Turbinenrades
6 und radial ausserhalb desselben angeordnet sind, kann der
Berstschutzring 16 in dieser Situation einen Grossteil der
Berstenergie aufnehmen. Da er zudem mit Ausnahme des relativ
schmalen Leitschaufelkanals 9 die gesamte Länge des Turbinenrades
6 abdeckt, können nur kleinere Turbinenbruchstücke in
das Gaseintrittgehäuse 3 geschleudert werden. Grosse Bruchstücke,
d.h. solche mit grosser kinetischer Energie, werden
vom Berstschutzring 16 aufgehalten. Wenn kleinere Bruchstücke
die Wand des Gaseintrittgehäuses 3 durchschlagen, so werden
diese von der zweiten, d.h. der externen Berstschutzeinrichtung
17 aufgefangen, welche das Turbinenrad 6 in seiner gesamten
axialen Ausdehnung abdeckt. Somit kann durch die Kombination
interner und externer Berstschutzeinrichtungen 16,
17 auch bei sehr grossen freiwerdenden Energien ein Herausschleudern
von Turbinenteilen in die Umgebung verhindert werden.The turbine wheel will burst under
In einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist ausser
der ersten und der zweiten Berstschutzeinrichtung 16, 17 eine
dritte Berstschutzeinrichtung 19 gasaustrittgehäuseseitig des
Berstschutzrings 16 im Hohlraum 15 angeordnet. Diese dritte
Berstschutzeinrichtung 19 ist als Stahldrahtseil-Paket ausgebildet,
welches aus mehreren parallel zur Umlaufrichtung des
Turbinenrades 6 und in einer Reihe nebeneinander angeordneten
Stahldrahtseilen 20 besteht (Fig. 2). Der Gasaustrittflansch
4 weist in seiner Ausnehmung 14 vier parallel zur Drehachse
21 des Turbinenrades 6 angeordnete Rippen 22 auf, mit denen
das Stahldrahtseil-Paket 19 formschlüssig verbunden ist (Fig.
3). Diese Rippen wirken versteifend, so dass ein zusätzlicher
Berstschutz erreicht wird.In a second embodiment of the invention,
the first and the second
Der Einsatz einer dritten Berstschutzeinrichtung 19 verringert
die Wahrscheinlichkeit des Austretens von Turbinenteilen
aus dem Turbinengehäuse 2 weiter und erhöht somit die Sicherheit
des Abgasturboladers. Durch die Ausbildung der Rippen 22
des Gasaustrittflanschs 4 und deren formschlüssige Verbindung
mit dem Stahldrahtseil-Paket 19, werden sowohl eine einfache
Montage als auch sichere Befestigung des Stahldrahtseil-Pakets
19 erreicht.The use of a third
Natürlich können auch mehrere Reihen von Stahldrahtseilen 20
radial übereinander angeordnet werden, was die abschirmende
Wirkung der dritten Berstschutzeinrichtung 19 noch verstärkt. Of course, several rows of
- 11
- Abgasturbine, RadialturbineExhaust gas turbine, radial turbine
- 22nd
- TurbinengehäuseTurbine casing
- 33rd
- GaseintrittgehäuseGas inlet casing
- 44th
- Gasaustrittgehäuse, GasaustrittflanschGas outlet housing, gas outlet flange
- 55
- Wellewave
- 66
- TurbinenradTurbine wheel
- 77
- LaufschaufelBlade
- 88th
- LeitschaufelkanalGuide vane channel
- 99
- DüsenringNozzle ring
- 1010th
- Lagercamp
- 1111
- LagergehäuseBearing housing
- 1212th
- SpannbandStrap
- 1313
- Schraubescrew
- 1414
- AusnehmungRecess
- 1515
- Hohlraumcavity
- 1616
- erste Berstschutzeinrichtung, Berstschutzringfirst burst protection device, burst protection ring
- 1717th
- zweite Berstschutzeinrichtung, Blechhüllesecond burst protection device, sheet metal casing
- 1818th
- Schraubescrew
- 1919th
- dritte Berstschutzeinrichtung, Stahldrahtseil-Paketthird burst protection device, steel wire rope package
- 2020th
- StahldrahtseilSteel wire rope
- 2121
- DrehachseAxis of rotation
- 2222
- Ripperib
Claims (10)
Applications Claiming Priority (2)
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EP0834646A1 true EP0834646A1 (en) | 1998-04-08 |
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Family Applications (1)
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JP (1) | JPH10110622A (en) |
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