EP1222400A1 - Verfahren und vorrichtung zur indirekten kühlung der strömung in zwischen rotoren und statoren von turbomaschinen ausgebildeten radialspalten - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur indirekten kühlung der strömung in zwischen rotoren und statoren von turbomaschinen ausgebildeten radialspalten

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EP1222400A1
EP1222400A1 EP99947181A EP99947181A EP1222400A1 EP 1222400 A1 EP1222400 A1 EP 1222400A1 EP 99947181 A EP99947181 A EP 99947181A EP 99947181 A EP99947181 A EP 99947181A EP 1222400 A1 EP1222400 A1 EP 1222400A1
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EP
European Patent Office
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cooling
cooling fluid
stator part
radial gap
radial
Prior art date
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EP99947181A
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EP1222400B1 (de
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Dirk Wunderwald
Mihajlo-Rüdiger BOTHIEN
Ulf Christian MÜLLER
Joachim Bremer
Jürg Greber
Helmut Gieszauf
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Accelleron Industries AG
Original Assignee
ABB Turbo Systems AG
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Publication of EP1222400B1 publication Critical patent/EP1222400B1/de
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    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D29/00—Details, component parts, or accessories
    • F04D29/58—Cooling; Heating; Diminishing heat transfer
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
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    • F04D29/582—Cooling; Heating; Diminishing heat transfer specially adapted for elastic fluid pumps
    • F04D29/584—Cooling; Heating; Diminishing heat transfer specially adapted for elastic fluid pumps cooling or heating the machine
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
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    • F04D29/26—Rotors specially for elastic fluids
    • F04D29/28—Rotors specially for elastic fluids for centrifugal or helico-centrifugal pumps for radial-flow or helico-centrifugal pumps
    • F04D29/284—Rotors specially for elastic fluids for centrifugal or helico-centrifugal pumps for radial-flow or helico-centrifugal pumps for compressors

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for indirect cooling of the flow in radial gaps formed between rotors and stators of turbomachinery, according to the preamble of claim 1 and the preamble of claim 7, but in particular for indirect cooling of the flow in the radial gap between the compressor wheel and the Radial compressor housing.
  • non-contact seals especially labyrinth seals
  • turbomachinery construction To seal rotating systems, non-contact seals, especially labyrinth seals, are widely used in turbomachinery construction.
  • a high level of friction occurs as a result of the flow boundary layers that form. This leads to heating of the fluid in the separation gap and thus also to heating of the components surrounding the separation gap.
  • the high material temperatures reduce the lifespan of the corresponding components.
  • Air cooling for radial compressors with a sealing geometry on the rear side of the compressor wheel is known from EP 0 518 027 B1. This is between the individual sealing elements, an additional annular space is formed on the housing wall side of the radial compressor. A cold gas is introduced into this annular space, which has a higher pressure than the pressure prevailing at the outlet of the compressor wheel.
  • the air supplied acts as impingement cooling. It divides in the sealing area and flows mainly radially inwards and outwards. This is also intended to achieve a blocking effect against the flow of hot compressor air from the outlet of the compressor wheel. However, the air blown in in this way ensures an increase in thrust and additional friction losses in the flow boundary layers.
  • the invention tries to avoid all these disadvantages. It is the object of the invention to provide a method for cooling the flow in radial gaps formed between rotors and stators of turbomachines which is improved with regard to its cooling effect. In addition, a simple, inexpensive and robust device for implementing the method is to be specified.
  • the water used as the cooling medium has a slightly higher density than the known lubricating oils and an approximately twice as large specific heat capacity. Since the heat flow to be dissipated via a cooling medium is proportional to the product of density and specific heat capacity, there is a clear advantage when using water compared to oil cooling. With the same mass flow and temperature of the water, a larger amount of heat can thus be withdrawn from the medium flowing through the radial gap via the stator part to be cooled. The cooling effect on the areas of the rotor adjacent to the radial gap is therefore also greater. Conversely, a smaller mass flow of cooling water is required to dissipate the same amount of heat compared to the lubricating oil, which means that the supply and discharge device for the cooling medium can be correspondingly smaller.
  • At least one recess is formed in the interior of the stator part adjacent to the radial gap or at least one cavity is arranged on the stator part.
  • the recess or the cavity is connected both to a supply line and to a discharge line for the cooling fluid.
  • the cooling fluid is introduced or discharged via these lines.
  • an improved cooling effect can be achieved by the water flow in the interior of the stator part, which is immediately adjacent to the radial gap.
  • a simple and inexpensive production can be realized with good cooling effect.
  • the cooling fluid located in a cooling water circuit of the charge air cooler is used, which is branched off upstream of the charge air cooler.
  • the fixed stator part is a housing part of a radial compressor, which the radial gap to the rotor, i.e. limited to the rotating compressor wheel of an exhaust gas turbocharger.
  • a tube cast into the latter is formed as a recess in the stator part, as a result of which a simple and robust cooling device is produced.
  • at least one groove is arranged in the stator part, with at least one tube serving as a recess being inserted and potted in each groove.
  • a stator part with at least one corresponding cast core, which is removed to form the recess.
  • cooling fluid is used before the water cooling of the stator part adjacent to the radial gap for indirect cooling of the diffuser receiving the main flow of the working medium downstream of the branching of the leakage flow and the diffuser plate delimiting the diffuser from the bearing housing. Effective cooling of the material of the turbomachine can thus also be achieved in this downstream area. In addition, the heat flow from the diffuser to the stator part adjacent to the radial gap is reduced.
  • a second cooling fluid is particularly advantageously used and introduced into the radial gap, air being preferably used. Due to the double cooling of the radial gap, the temperature of the thermally heavily loaded rotor can be further reduced.
  • dialspalt arranged at least one feed channel and a discharge device for the second cooling fluid.
  • the cooling effect can be adapted in a simple manner to the conditions to be expected during operation of the turbomachine or to the current temperature conditions.
  • the drawing shows several exemplary embodiments of the invention using an exhaust gas turbocharger connected to an internal combustion engine.
  • FIG. 1 shows a schematic illustration of the exhaust gas turbocharger connected to the internal combustion engine
  • FIG. 3 shows a representation according to FIG. 2, but in a second exemplary embodiment
  • FIG. 4 shows a representation according to FIG. 2, but in a third exemplary embodiment
  • FIG. 5 shows a representation according to FIG. 2, but in a fourth exemplary embodiment
  • FIG. 6 shows a representation according to FIG. 2, but in a further exemplary embodiment
  • FIG. 7 shows a representation according to FIG. 2, but in a next exemplary embodiment.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of an exhaust gas turbocharger 2 which interacts with an internal combustion engine 1 designed as a diesel engine.
  • the latter consists of a radial compressor 3 and an exhaust gas turbine 4, which have a common shaft 5.
  • the radial compressor 3 is connected to the internal combustion engine 1 via a charge air line 6 and the exhaust gas turbine 4 via an exhaust line 7.
  • a charge air cooler 8 is arranged between the radial compressor 3 and the internal combustion engine 1.
  • the charge air cooler 8 has a cooling water circuit 9 with a supply or discharge, not shown.
  • the radial compressor 3 is equipped with a compressor housing 10, in which a rotor 11 designed as a compressor wheel and connected to the shaft 5 is arranged.
  • the compressor wheel 11 has a hub 13 with a plurality of rotor blades 12.
  • a flow channel 14 is formed between the hub 13 and the compressor housing 10. Downstream of the blades 12, a radially arranged, bladed diffuser 15 adjoins the flow channel 14, which in turn opens into a spiral 16 of the radial compressor 3.
  • the compressor housing 10 mainly consists of an air inlet housing 17, an air outlet housing 18, a diffuser plate 19 and a stator part 20 designed as an intermediate wall to a bearing housing 21 of the exhaust gas turbocharger 2 (FIG. 2).
  • the hub 13 has a rear wall 22 on the turbine side and a fastening sleeve 23 for the shaft 5.
  • the fastening sleeve 23 is received by the intermediate wall 20 of the compressor housing 10.
  • Another suitable compressor wheel shaft connection can of course also be selected. It is also possible to use an unbladed diffuser.
  • a circumferential recess 26 is formed in the intermediate wall 20 of the compressor housing 10 and is connected to both a supply line and a discharge line 27, 28 for a cooling fluid 29 (FIG. 2, FIG. 3).
  • the intermediate wall 20 on the compressor wheel side of the recess 26 is made as thin as possible.
  • a thin-walled tube 30, which is closed at both ends and whose interior forms the recess 26 (FIG. 2), is cast in during the manufacture of the intermediate wall 20.
  • the compressor wheel 11 When the exhaust gas turbocharger 2 is operating, the compressor wheel 11 sucks in ambient air as the working medium 31, which, as a main flow 32, enters the spiral 16 via the flow channel 14 and the diffuser 15, compresses there further and finally via the charge air line 6 for charging the exhaust gas turbocharger 2 connected internal combustion engine 1 is used.
  • the working medium 31 heated during the compression process is cooled beforehand in the charge air cooler 8.
  • the main flow 32 of the working medium 31 heated in the radial compressor 3 also acts on the radial gap 24 as a leakage flow 33, as a result of which the compressor wheel 11 is additionally heated.
  • Cooling water which is branched off from the cooling water circuit 9 of the charge air cooler 8 is introduced as cooling fluid 29 into the recess 26 of the intermediate wall 20 which is arranged directly adjacent to this critical area. There is thus indirect cooling of the leakage flow 33 located in the radial gap 24 and thus also of the compressor wheel 11.
  • the cooling fluid 29 is branched off upstream of the charge air cooler 8, so that effective cooling can be achieved with the relatively cold cooling water. After the cooling process, the now heated cooling fluid 29 flows through the discharge line 28. from the charge air cooler 8 fed back into the cooling water circuit 9 (Fig. 1).
  • fresh water can also be supplied from outside the system as cooling fluid 29 (not shown).
  • the recess 26 is formed by a core cast into the intermediate wall 20, which subsequently must be removed again (Fig. 3).
  • a groove 35 is formed in the intermediate wall 20.
  • Two tubes 36 are inserted and potted in the groove 35, the two tubes 36 having a connecting line 37. Again, the interior of the tubes 36 form the recess 26 (FIG. 4).
  • the interior of the tubes 36 form the recess 26 (FIG. 4).
  • only a single tube 36 can be arranged in the groove 35.
  • two or more grooves 35 can be formed in the intermediate wall 20, which can also accommodate more than two tubes 36 (not shown).
  • a cavity 38 is formed on the intermediate wall 20, which cavity is closed off on the turbine side by a cover 39 (FIG. 5).
  • the cavity 38 is connected to a supply and a discharge line 27, 28 for the cooling fluid 29.
  • the cover 39 and thus also the cavity 38 can of course also be arranged on the compressor side of the intermediate wall 21 with the same function (not shown).
  • the leakage flow 33 located in the radial gap 24 and thus also the compression are indirectly cooled.
  • terrades 11 essentially analogous to the process described in the first embodiment.
  • the intermediate wall 20 is designed to be radially extended so that it covers essential areas of the diffuser 15.
  • the intermediate wall 20 has a corresponding outer ring 43.
  • a circumferential cavity 44 is formed in the interior of the outer ring 43.
  • the supply line 27 for the cooling fluid 29 engages on the outer ring 43 and opens into its cavity 44, which is connected at the other end to the recess 26 of the intermediate wall 20 (FIG. 6).
  • the cooling fluid 29, starting from the feed line 27, is first introduced into the cavity 44 of the outer ring 43, where it serves for indirect cooling of the diffuser 15 or the diffuser plate 19. Only then is the cooling fluid 29 introduced into the recess 26 in the intermediate wall 20, where the previously described indirect cooling of the leakage flow 33 takes place.
  • the recirculation of the cooling fluid 29 into the cooling water circuit 9 is also implemented via the discharge line 28.
  • the intermediate wall 20 can also merge directly into the diffuser plate 19 and the cavity 44 connected to the recess 26 of the intermediate wall 20 can be arranged in the diffuser plate 19 (not shown).
  • direct cooling of the leakage flow 33 is provided in addition to the indirect cooling described so far.
  • a plurality of feed channels 40 for a second cooling fluid 41 opening tangentially to the rear wall 22 of the compressor wheel 11 and arranged in the radial gap 24 are arranged so as to penetrate both the bearing housing 21 and the diffuser plate 19 (FIG. 7).
  • the feed channels 40 are connected downstream of the charge air cooler 8 with the charge-air line 6, so that as the second Kuhlfluid 41 cooled charge air using fin ⁇ det (Fig. 1).
  • a pure film cooling of the entire rear wall 22 of the compressor wheel 11 is achieved by the tangential introduction of the second cooling fluid 41.
  • the second cooling fluid 41 replaces the hot leakage flow 33, so that the boundary layer that forms on the rear wall 22 of the compressor wheel 11 is formed from the start primarily by the cooled charge air.
  • the subsequent discharge of the second cooling fluid 41 takes place via a discharge device 42 which engages in the intermediate wall 20 of the compressor housing 10.
  • This combination of indirect and direct cooling has a special cooling effect because the two cooling options complement each other in their effect and thus ensure a very high temperature reduction in the compressor wheel 11.
  • other cooling media can also be used as the second cooling fluid 41, wherein an external supply of compressed air is also possible (not shown).
  • FIG. 1 also shows the arrangement of a control valve 45 in the supply channel 40 for the second cooling fluid 41.
  • the quantitative supply of the second cooling fluid 41 can be regulated, so that the cooling effect can be adapted to the expected conditions or to the current temperature conditions during operation of the exhaust gas turbocharger 2 is also made possible.
  • the control valve 45 can also be operated by hand as well as via a measuring and control unit, not shown. Possible measurement variables are the temperature of the charge air after the charge air cooler 8 or also the temperature of the intermediate wall 20 itself.
  • the supply of the second cooling fluid 41 can be prevented not only partially but also completely in this way. In the latter case, there is only indirect cooling, i.e. water cooling instead.
  • Second cooling fluid supply channel charge air

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Abstract

Aufgabe der Erfindung ist es, ein bezüglich seiner Kühlwirkung verbessertes Verfahren zur Kühlung der Strömung in zwischen Rotoren und Statoren von Turbomaschinen ausgebildeten Radialspalten zu schaffen. Zudem soll eine einfache, kostengünstige und robuste Vorrichtung zur Umsetzung des Verfahrens angegeben werden. Erfindungsgemäss wird dies dadurch erreicht, dass Wasser als Kühlfluid (29) für das dem Radialspalt (24) benachbarte Statorteil (20) verwendet wird. Dazu ist entweder im Inneren des dem Radialspalt (24) benachbarten Statorteils (20) zumindest eine Ausnehmung (26) ausgebildet oder am Statorteil (20) zumindest ein Hohlraum (38) angeordnet. Die Ausnehmung (26) bzw. der Hohlraum (38) ist sowohl mit einer Zufuhrleitung (27) als auch mit einer Abfuhrleitung (28) für das Kühlfluid (29) verbunden.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur indirekten Kühlung der Strömung in zwischen Rotoren und Statoren von Turbomaschinen ausgebildeten
Radialspalten
Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur indirekten Kühlung der Strömung in zwischen Rotoren und Statoren von Turbomaschinen ausgebildeten Radialspalten, gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und dem Oberbegriff des Anspruchs 7, insbesondere jedoch zur indirekten Kühlung der Strömung im Radialspalt zwischen dem Verdichterrad und dem Gehäuse eines Radialverdichters.
Stand der Technik
Zur Abdichtung rotierender Systeme sind im Turbomaschinenbau berührungsfreie Dichtungen, insbesondere Labyrinthdichtungen weit verbreitet. Im fluiddurch- strömten Treπnspalt zwischen rotierenden und stehenden Teilen tritt infolge der sich ausbildenden Strömungsgrenzschichten eine hohe Reibleistuπg auf. Dies führt zu einer Erwärmung des Fluids im Trennspalt und damit auch zur Erwärmung der den Trennspalt umgebenden Bauteile. Die hohen Materialtemperaturen haben eine Reduktion der Lebensdauer der entsprechenden Bauteile zur Folge.
Ein einfach aufgebauter Radialverdichter ohne eine im Trennspalt ausgebildete Dichtgeometrie ist aus der DE 195 48 852 A1 bekannt. Auch dabei sorgt die infolge von Strömungsscherschichten an der Rückwand des Verdichterrades entstehende Reibungswärme für eine Erwärmung des Verdichterrades und damit für eine Reduktion seiner Lebensdauer.
Aus der EP 0 518 027 B1 ist eine Luftkühlung für Radialverdichter mit einer Dichtgeometrie auf der Rückseite des Verdichterrades bekannt. Dazu ist zwischen den einzelnen Dichtelementen ein zusätzlicher Ringraum auf der Gehäusewandseite des Radialverdichters ausgebildet. In diesen Ringraum wird ein kaltes Gas eingeführt, welches einen höheren als den am Austritt des Verdichterrades herrschenden Druck aufweist. Die zugeführte Luft wirkt als Prallkühlung. Dabei teilt sie sich im Dichtungsbereich und strömt hauptsächlich radial nach innen sowie nach aus- sen. Dadurch soll ausserdem eine Sperrwirkung gegen die Durchströmung des Trennspaltes mit heisser Verdichterluft vom Austritt des Verdichterrades erzielt werden. Die auf diese Weise eingeblasene Luft sorgt jedoch für eine Schuberhöhung und für zusätzliche Reibungsverluste in den Strömungsgrenzschichteπ.
Neben dieser direkten Kühlung ist aus der DE 196 52 754 A1 auch eine indirekte Kühlung der Rückwand des Verdichterrades bzw. des durch den Treπnspalt strömenden Mediums bekannt. Dazu ist am oder im an der Rückwand stehenden und mit dieser den Trennspalt bildenden Gehäuseteil eine mit dem Schmierölsystem des Turboladers verbundene Zuführ- und Verteileinrichtung angeordnet. Als Kühlmedium dient das zur Lagerschmierung eingesetzte Öl, wozu der Schmierölkreislauf des Turboladers angezapft wird. Ein Nachteil dieser Kühlung ist der relativ hohe Ölbedarf und die vom Ölkühler zusätzlich abzuführende Wärmemenge. Dies führt zu einem vergrösserten Bauvolumen des Kühlers. Zudem besteht bei einer Havarie mit Beschädigung der entsprechenden Bauteile eine erhöhte Verpuf- fungsgefahr.
Mit der US 4815184 ist auch eine Wasserkühlung des Lagergehäuses eines Turboladers bekannt. Diese Kühlung dient jedoch der Beseitigung der Verkokungsgefahr des nach dem Abstellen des Turboladers in dessen Lagergehäuse verbleibenden Schmieröls. Im Gegensatz zu den oben beschriebenen Lösungen des Standes der Technik ist somit die Zufuhr des Kühlmediums nicht während des Dauerbetriebes sondern vielmehr beim Abschalten des Turboladers erforderlich. Daher vermag diese Art der Kühlung des Lagergehäuses keine Hinweise auf eine indirekten Kühlung der Strömung in zwischen Rotoren und Statoren von Turbo- maschiπen ausgebildeten Radialspalten zu geben. Ausserdem beschäftigt sich diese Lösung ausdrücklich nicht mit der Kühlung der Zwischenwand. Darstellung der Erfindung
Die Erfindung versucht alle diese Nachteile zu vermeiden. Ihr liegt die Aufgabe zugrunde, ein bezüglich seiner Kühlwirkuπg verbessertes Verfahren zur Kühlung der Strömung in zwischen Rotoren und Statoren von Turbomaschinen ausgebildeten Radialspalten zu schaffen. Zudem soll eine einfache, kostengünstige und robuste Vorrichtung zur Umsetzung des Verfahrens angegeben werden.
Erfindungsgemass wird dies dadurch erreicht, dass bei einem Verfahren gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1 , Wasser als Kuhlfluid für das dem Radialspalt benachbarte Statorteil verwendet wird.
Das als Kühlmedium eingesetzte Wasser besitzt eine etwas höhere Dichte als die bekannten Schmieröle sowie eine etwa doppelt so grosse spezifische Wärmekapazität. Da der über ein Kühlmedium abzuführende Wärmestrom proportional dem Produkt aus Dichte und spezifischer Wärmekapazität ist, ergibt sich bei Verwendung von Wasser ein deutlicher Vorteil gegenüber einer Ölkühlung. Bei gleichem Massenstrom und gleicher Temperatur des Wassers kann somit aus dem durch den Radialspalt strömenden Medium über das zu kühlende Statorteil eine grössere Wärmemenge entzogen werden. Der Kühleffekt auf die an den Radialspalt angrenzenden Bereiche des Rotors ist daher ebenfalls grösser. Im Umkehr- schluss wird zum Ableiten der gleichen Wärmemenge gegenüber dem Schmieröl ein kleinerer Massenstrom an Kühlwasser benötigt, wodurch die Zu- und Abfuhreinrichtung für das Kühlmedium entsprechend geringer dimensioniert sein kann.
Dazu ist im Inneren des dem Radialspalt benachbarten Statorteils zumindest eine Ausnehmung ausgebildet oder am Statorteil zumindest ein Hohlraum angeordnet. Die Ausnehmung bzw. der Hohlraum ist sowohl mit einer Zufuhrleitung als auch mit einer Abfuhrleitung für das Kuhlfluid verbunden. Über diese Leitungen wird das Kuhlfluid eingeleitet bzw. wieder abgeleitet. In Abhängigkeit von der rotorseiti- gen Wanddicke, welche möglichst gering gehalten werden soll, kann durch die dem Radialspalt unmittelbar benachbarte Wasserführung im Inneren des Statorteils eine verbesserte Kühlwirkung erzielt werden. Wird jedoch statt der Ausneh- mung im Statorteil der beschriebene Hohlraum am Statorteil ausgebildet, so kann bei ebenfalls guter Kühlwirkung eine einfachere und kostengünstigere Herstellung realisiert werden.
In einem aus einer Brennkraftmaschine, einem Ladeluftkühler und einem Abgasturbolader bestehenden System wird entweder Frischwasser von ausserhalb des Systems oder vorteilhaft im System vorhandenes Wasser als Kuhlfluid verwendet. Im letzteren Fall findet dazu das in einem Kühlwasserkreislauf des Ladeluftkühlers befindliche Kühlwasser Verwendung, welches stromauf des Ladeluftkühlers abgezweigt wird. Dabei ist das feststehende Statorteil ein Gehäuseteil eines Radialverdichters, welches den Radialspalt zum Rotor, d.h. zum rotierenden Verdichterrad eines Abgasturboladers begrenzt.
Als Ausnehmung des Statorteils ist ein in letzteres eingegossenes Rohr ausgebildet, wodurch eine einfache und robuste Kühlvorrichtung entsteht. Alternativ dazu ist im Statorteil zumindest eine Nut angeordnet, wobei in jeder Nut zumindest ein als Ausnehmung dienendes Rohr eingelegt und vergossen ist. Weitaus einfacher in der Fertigung ist natürlich ein Statorteil mit zumindest einem entsprechenden, eingegossenen Kern, welcher zur Bildung der Ausπehmung entfernt wird.
Ein zusätzlicher Vorteil wird erreicht, indem das Kuhlfluid vor der Wasserkühlung des dem Radialspalt benachbarten Statorteils zur indirekten Kühlung des die Hauptströmung des Arbeitsmediums stromab der Abzweigung der Leckageströ- muπg aufnehmenden Diffusors und der den Diffusor zum Lagergehäuse abgrenzenden Diffusorplatte verwendet wird. Damit kann auch in diesem nachgelagerten Bereich eine wirksame Kühlung des Materials der Turbomaschine erzielt werden. Ausserdem wird so der Wärmefluss vom Diffusor zum dem Radialspalt benachbarten Statorteil reduziert.
Besonders vorteilhaft wird neben der Wasserkühlung ein zweites Kuhlfluid verwendet und in den Radialspalt eingeleitet, wobei vorzugsweise Luft zum Einsatz kommt. Aufgrund der zweifachen Kühlung des Radialspaltes kann die Temperatur des thermisch stark belasteten Rotors weiter gesenkt werden. Dazu sind am Ra- dialspalt zumindest ein Zuführkanal sowie eine Abführeinrichtung für das zweite Kuhlfluid angeordnet.
Indem die Zufuhr des zweiten Kühlfluides teilweise oder auch vollständig abgestellt wird, kann die Kühlwirkung auf einfache Weise den beim Betrieb der Turbomaschine zu erwartenden Bedingungen oder auch den aktuellen Temperaturverhältnissen angepasst werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
In der Zeichnung sind mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand eines mit einer Brennkraftmaschine verbundenen Abgasturboladers dargestellt.
Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung des mit der Breπnkraftmaschine verbundene Abgasturboladers;
Fig. 2 einen Teillängsschπitt durch den Radialverdichter des Abgasturboladers;
Fig. 3 eine Darstellung gemäss Fig. 2, jedoch in einem zweiten Ausführungsbeispiel;
Fig. 4 eine Darstellung gemäss Fig. 2, jedoch in einem dritten Ausführungsbeispiel;
Fig. 5 eine Darstellung gemäss Fig. 2, jedoch in einem vierten Ausführungsbeispiel;
Fig. 6 eine Darstellung gemäss Fig. 2, jedoch in einem weiteren Ausführungsbeispiel;
Fig. 7 eine Darstellung gemäss Fig. 2, jedoch in einem nächsten Ausführungsbeispiel.
Es sind nur die für das Verständnis der Erfindung wesentlichen Elemente gezeigt. Die Strömungsrichtung der Arbeitsmittel ist mit Pfeilen bezeichnet. Weg zur Ausführung der Erfindung
Die Figur 1 zeigt in einer schematischen Darstellung einen mit einer als Dieselmotor ausgebildeten Brennkraftmaschine 1 zusammenwirkenden Abgasturbolader 2. Letzterer besteht aus einem Radialverdichter 3 und einer Abgasturbine 4, welche eine gemeinsame Welle 5 aufweisen. Der Radialverdichter 3 ist über eine La- deluftleituπg 6 und die Abgasturbine 4 über eine Abgasleitung 7 mit der Brennkraftmaschine 1 verbunden. In der Ladeluftleitung 6, d.h. zwischen dem Radialverdichter 3 und der Brenπkraftmaschine 1 , ist ein Ladeluftkühler 8 angeordnet. Der Ladeluftkühler 8 besitzt einen Kühlwasserkreislauf 9 mit einer nicht dargestellten Zu- bzw. Abfuhr.
Der Radialverdichter 3 ist mit einem Verdichtergehäuse 10 ausgestattet, in dem ein als Verdichterrad ausgebildeter und mit der Welle 5 verbundener Rotor 11 angeordnet ist. Das Verdichterrad 11 besitzt eine mit einer Vielzahl von Laufschaufeln 12 besetzte Nabe 13. Zwischen der Nabe 13 und dem Verdichtergehäuse 10 ist ein Strömungskanal 14 ausgebildet. Stromab der Laufschaufeln 12 schliesst an den Strömungskanal 14 ein radial angeordneter, beschaufelter Diffusor 15 an, welcher seinerseits in eine Spirale 16 des Radialverdichters 3 mündet. Das Verdichtergehäuse 10 besteht hauptsächlich aus einem Lufteintrittgehäuse 17, einem Luftaustrittgehäuse 18, einer Diffusorplatte 19 und einem als Zwischenwand zu einem Lagergehäuse 21 des Abgasturboladers 2 ausgebildeten Statorteil 20 (Fig. 2).
Die Nabe 13 weist turbinenseitig eine Rückwand 22 sowie eine Befestigungsmuffe 23 für die Welle 5 auf. Die Befestigungsmuffe 23 wird von der Zwischenwand 20 des Verdichtergehäuses 10 aufgenommen. Natürlich kann auch eine andere geeignete Verdichterrad-Wellen-Verbiπdung gewählt werden. Ebenso ist auch der Einsatz eines unbeschaufelten Diffusors möglich.
Zwischen dem rotierenden Verdichterrad 11 , d.h. seiner Rückwand 22 und der feststehenden Zwischenwand 20 des Verdichtergehäuses 10 existiert zwangsläufig ein Trennspalt, welcher bei einem Radialverdichter 3 als Radialspalt 24 aus- gebildet ist. Der Radialspalt 24 nimmt eine das Verdichtergehäuse 10 gegenüber dem Lagergehäuse 21 abdichtende Labyrinthdichtung 25 auf. In der Zwischenwand 20 des Verdichtergehäuses 10 ist eine umlaufende Ausnehmung 26 ausgebildet und sowohl mit einer Zufuhr- als auch mit einer Abfuhrleitung 27, 28 für ein Kuhlfluid 29 verbunden (Fig. 2, Fig. 3). Um eine möglichst hohe Kühlwirkung beim benachbarten Verdichterrad 11 zu erzielen, ist die Zwischenwand 20 verdichter- radseitig der Ausnehmung 26 möglichst dünn ausgebildet. Dazu wird bei der Herstellung der Zwischenwand 20 ein dünnwandiges und an beiden Enden verschlossenes Rohr 30 eingegossen, dessen Innenraum die Ausnehmung 26 bildet (Fig. 2).
Beim Betrieb des Abgasturboladers 2 saugt das Verdichterrad 11 als Arbeitsmedium 31 Umgebungsluft an, die als eine Hauptströmung 32 über den Strömungskanal 14 sowie den Diffusor 15 in die Spirale 16 gelangt, dort weiter verdichtet und schliesslich über die Ladeluftleitung 6 zur Aufladung der mit dem Abgasturbolader 2 verbundenen Breπnkraftmaschine 1 eingesetzt wird. Zuvor erfolgt jedoch im Ladeluftkühler 8 eine entsprechende Abkühlung des beim Verdichtungsvorgang aufgeheizten Arbeitsmediums 31.
Auf ihrem Weg vom Strömungskanal 14 zum Diffusor 15 beaufschlagt die im Radialverdichter 3 erhitzte Hauptströmung 32 des Arbeitsmediums 31 als Leckageströmung 33 auch den Radialspalt 24, wodurch das Verdichterrad 11 zusätzlich erhitzt wird. Weil jedoch die Betriebstemperatur im äusseren Bereich des Verdichterrades 11 am grössten ist, tritt insbesondere dort eine grosse Materialbelastung auf. In die unmittelbar benachbart zu diesem kritischen Bereich angeordnete Ausnehmung 26 der Zwischenwand 20 wird als Kuhlfluid 29 aus dem Kühlwasserkreislauf 9 des Ladeluftkühlers 8 abgezweigtes Kühlwasser eingeleitet. Es kommt somit zu einer indirekten Kühlung der im Radialspalt 24 befindlichen Leckageströmung 33 und damit auch des Verdichterrades 11. Dabei erfolgt die Abzweigung des Kühlfluids 29 stromauf des Ladeluftkühlers 8, so dass mit dem relativ kalten Kühlwasser eine effektive Kühlung erzielt werden kann. Nach dem Kühlvorgang wird das nunmehr erwärmte Kuhlfluid 29 über die Abfuhrleitung 28 ström- ab des Ladeluftkühlers 8 in den Kühlwasserkreislauf 9 rückgespeist (Fig. 1). Natürlich kann statt dem im System von Brennkraftmaschine 1 , Ladeluftkühler 8 und Abgasturbolader 2 vorhandenen Kühlwasser auch Frischwasser von ausserhalb des Systems als Kuhlfluid 29 zugeführt werden (nicht dargestellt).
In einem zweiten Ausführungsbeispiel, bei dem der Radialspalt 24 nicht mittels einer Labyrinthdichtung 25, sondern mit einem zwischen der Befestigungsmuffe 23 und dem Zwischenwand 20 angeordneten Dichtungsring 34 abgedichtet ist, erfolgt die Ausbildung der Ausnehmung 26 durch einen in die Zwischenwand 20 eingegossenen Kern, welcher anschliessend wieder entfernt werden muss (Fig. 3).
Gemäss einem dritten Ausführungsbeispiel ist in der Zwischenwand 20 einen Nut 35 ausgebildet. In die Nut 35 sind zwei Rohre 36 eingelegt und vergossen, wobei die beiden Rohre 36 eine Verbindungsleitung 37 aufweisen. Wiederum bilden die Innenräume der Rohre 36 die Ausnehmung 26 (Fig. 4). Natürlich kann in der Nut 35 auch nur ein einziges Rohr 36 angeordnet werden. Ebenso können in der Zwischenwand 20 zwei oder mehrere Nuten 35 ausgebildet werden, welche auch mehr als zwei Rohre 36 aufnehmen können (nicht dargestellt).
Alternativ zur Ausnehmuπg 26 in der Zwischenwand 20 ist in einem vierten Ausführungsbeispiel an der Zwischenwand 20 ein Hohlraum 38 ausgebildet, welcher turbinenseitig von einem Deckel 39 abgeschlossen wird (Fig. 5). Wie die Ausnehmung 26 ist auch der Hohlraum 38 mit einer Zufuhr- und mit einer Abfuhrleitung 27, 28 für das Kuhlfluid 29 verbunden. Mit dieser Variante lässt sich der zur Realisierung der Kühlung des Verdichterrades 11 erforderliche Herstellungsaufwand vorteilhaft verringern. Der Deckel 39 und damit auch der Hohlraum 38 können mit gleicher Funktion natürlich auch verdichterseitig der Zwischenwand 21 angeordnet sein (nicht dargestellt).
Bei den zuletzt genannten Ausführuπgsbeispielen erfolgt die indirekte Kühlung der im Radialspalt 24 befindlichen Leckageströmung 33 und damit auch des Verdich- terrades 11 im wesentlichen analog zu dem im ersten Ausführungsbeispiel beschriebenen Vorgang.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel ist die Zwischenwand 20 nach radial aus- sen verlängert ausgebildet, so dass sie wesentliche Bereiche des Diffusors 15 überdeckt. Dazu weist die Zwischenwand 20 einen entsprechenden Aussenring 43 auf. Im Inneren des Aussenringes 43 ist ein umlaufender Hohlraum 44 ausgebildet. Die Zufuhrleitung 27 für das Kuhlfluid 29 greift am Aussenring 43 an und mündet in dessen Hohlraum 44, welcher anderenendes mit der Ausnehmung 26 der Zwischenwand 20 verbunden ist (Fig. 6).
Bei dieser Lösung wird das Kuhlfluid 29 ausgehend von der Zufuhrleituπg 27 zunächst in den Hohlraum 44 des Aussenringes 43 eingeleitet, wo es der indirekten Kühlung des Diffusors 15 bzw. der Diffusorplatte 19 dient. Erst danach erfolgt die Einleitung des Kühlfluides 29 in die Ausnehmung 26 der Zwischenwand 20. Dort erfolgt die bereits zuvor beschriebene indirekte Kühlung der Leckageströmung 33. Die Rezirkulation des Kühlfluides 29 in den Kühlwasserkreislauf 9 wird ebenfalls über die Abfuhrleitung 28 realisiert.
Natürlich kann die Zwischenwand 20, wie beim US 4815184, auch direkt in die Diffusorplatte 19 übergehen und der mit der Ausnehmung 26 der Zwischenwand 20 verbundene Hohlraum 44 in der Diffusorplatte 19 angeordnet sein (nicht dargestellt).
In einem nächsten Ausführungsbeispiel ist zusätzlich zur bisher beschriebenen indirekten Kühlung eine direkte Kühlung der Leckageströmung 33 vorgesehen. Dazu sind mehrere tangential zur Rückwand 22 des Verdichterrades 11 in den Radialspalt 24 mündende Zuführkanäle 40 für ein zweites Kuhlfluid 41 sowohl das Lagergehäuse 21 als auch die Diffusorplatte 19 durchdringend angeordnet (Fig. 7). Die Zuführkanäle 40 sind stromab des Ladeluftkühlers 8 mit der Ladeluftleitung 6 verbunden, so dass als zweites Kuhlfluid 41 gekühlte Ladeluft Verwendung fin¬ det (Fig. 1). Durch die tangentiale Einleitung des zweiten Kühlfluids 41 wird eine reine Filmkühlung der gesamten Rückwand 22 des Verdichterrades 11 realisiert. Das zweite Kuhlfluid 41 ersetzt die heisse Leckageströmung 33, so dass die sich an der Rückwand 22 des Verdichterrades 11 ausbildende Grenzschicht bereits von Beginn an vor allem durch die gekühlte Ladeluft gebildet wird. Die anschliessende Ableitung des zweiten Kühlfluids 41 erfolgt über eine in der Zwischenwand 20 des Verdichtergehäuses 10 angreifende, nicht weiter dargestellte Abführeinrichtung 42. Diese Kombination von indirekter und direkter Kühlung hat einen besonderen Kühleffekt zur Folge, weil sich die beiden Kühlmöglichkeiten in ihrer Wirkung ergänzen und somit für eine sehr hohe Temperaturreduktion im Verdichterrad 11 sorgen. Natürlich können als zweites Kuhlfluid 41 auch andere Kühlmedien verwendet werden, wobei auch eine externe Zuführung von Pressluft möglich ist (nicht dargestellt).
Die Figur 1 zeigt zusätzlich auch die Anordnung eines Stellventils 45 im Zuführkanal 40 für das zweite Kuhlfluid 41. Mit Hilfe dieses Stellventils 45 kann die men- genmässige Zufuhr des zweiten Kühlfluides 41 geregelt werden, so dass eine Anpassung der Kühlwirkung an die zu erwartenden Bedingungen oder auch an die aktuellen Temperaturverhältnisse beim Betrieb des Abgasturboladers 2 ermöglicht wird. Dabei kann das Stellventil 45 ebenso von Hand als auch über eine nicht dargestellte Mess- und Steuereinheit betätigt werden. Infrage kommende Messgrös- sen sind die Temperatur der Ladeluft nach dem Ladeluftkühler 8 oder auch die Temperatur der Zwischenwand 20 selbst. Natürlich kann auf diese Weise die Zufuhr des zweiten Kühlfluides 41 nicht nur teilweise sondern auch vollständig unterbunden werden. Im letzteren Fall findet dann lediglich eine indirekte Kühlung, d.h. eine Wasserkühlung statt.
Selbstverständlich können die oben beschriebenen Kühlkoπfigurationen beliebig miteinander kombiniert werden, unabhängig davon, ob im Radialspalt 24 eine Labyrinthdichtung 25 angeordnet ist oder nicht. Bei alleiniger Anwendung der Zwischenwandkühlung wird von vornherein jede Erhöhung des Verdichterschubes und der Luftleckagen in das Lagergehäuse 21 des Abgasturboladers 2 vermieden. Bezugszeichenliste
Breπnkraftmaschine
Abgasturbolader
Radialverdichter
Abgasturbine
Welle
Ladeluftleitung
Abgasleitung
Ladeluftkühler
Kühlwasserkreislauf
Verdichtergehäuse
Rotor, Verdichterrad
Laufschaufel
Nabe
Strömungskanal
Diffusor
Spirale
Lufteintrittgehäuse
Luftaustrittgehäuse
Diffusorplatte
Statorteil, Zwischenwand
Lagergehäuse
Rückwand
Befestigungsmuffe
Radialspalt, Trennspalt
Labyrinthdichtuπg
Ausnehmung
Zufuhrleitung
Abfuhrleitung
Kuhlfluid
Rohr Arbeitsmedium
Hauptströmung
Leckageströmung
Dichtungsring
Nut
Rohr
Verbindungsleitung
Hohlraum
Deckel
Zuführkanal zweites Kuhlfluid, Ladeluft
Abführeinrichtung
Aussenring
Hohlraum
Stellventil

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur indirekten Kühlung der Strömung in zwischen Rotoren und Statoren von Turbomaschinen ausgebildeten Radialspalten, wobei von einer Hauptströmung (32) eines Arbeitsmediums (31) der Turbomaschine eine Leckageströmung (33) abgezweigt und in einen Radialspalt (24) eingeleitet wird, bei welchem Verfahren ein dem Radialspalt (24) benachbartes Statorteil (20) mit einem Kuhlfluid (29) beaufschlagt wird, dadurch gekennzeichnet, dass Wasser als Kuhlfluid (29) verwendet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Kuhlfluid (29) in eine im Statorteil (20) ausgebildete Ausnehmung (26) oder in einen am Statorteil (20) angeordneten Hohlraum (38) eingeleitet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass Frischwasser von ausserhalb eines aus einer Brennkraftmaschine (1), eines Ladeluftkühlers (8) und eines Abgasturboladers (2) bestehenden Systems als Kuhlfluid (29) verwendet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass in einem aus einer Brennkraftmaschine (1) einem Ladeluftkühler (8) und einem Abgasturbolader (2) bestehenden System vorhandenes Wasser als Kuhlfluid (29) verwendet wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Kühlwasserkreislauf (9) des Ladeluftkühlers (8) vorhandenes Kühlwasser als Kuhlfluid (29) verwendet und letzteres stromauf des Ladeluftkühlers (8) abgezweigt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Hauptströmung (32) des Arbeitsmediums (31) stromab der Abzweigung der Leckageströmung (33) in einen Diffusor (15) eingeleitet wird, wobei das Kuhlfluid (29) vor der Wasserkühlung des dem Radialspalt (24) benachbarten Statorteils (20) zur indirekten Kühlung des Diffusors (15) und einer Diffusorplatte (19) verwendet wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweites Kuhlfluid (41), vorzugsweise Luft, verwendet und in den Radialspalt (24) eingeleitet wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Zufuhr des zweiten Kühlfluides (41) teilweise oder vollständig abgestellt wird.
9. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 , bei welcher ein feststehendes Statorteil (20) den Radialspalt (24) zum Rotor (11) begrenzend angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass im Inneren des Statorteils (20) zumindest eine Ausnehmung (26) ausgebildet oder am Statorteil (20) zumindest ein Hohlraum (38) angeordnet und die Ausnehmung (26) oder der Hohlraum (38) sowohl mit einer Zufuhrleitung (27) als auch mit einer Abfuhrleitung (28) für ein Kuhlfluid (29) verbunden ist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass im Statorteil (20) zumindest ein eingegossenes Rohr (30) angeordnet ist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass im Statorteil (20) zumindest eine Nut (35) angeordnet und in jeder Nut (35) zumindest ein Rohr (36) eingelegt und vergossen ist.
12. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das feststehende Statorteil (20) als Teil eines Verdichtergehäuses (10) eines Radialverdichters (3) ausgebildet ist, welches den Radialspalt (24) zu einem rotierenden Verdichterrad (11) eines Abgasturboladers (2) begrenzt.
13. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Zuführkanal (40) sowie eine Abführeinrichtung (42) für ein zweites Kuhlfluid (41 ) am Radialspalt (24) angeordnet sind.
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