EP1222400B1 - Method and device for the indirect cooling of a flow regime in radial slits formed between the rotors and stators of turbomachines - Google Patents
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- EP1222400B1 EP1222400B1 EP99947181A EP99947181A EP1222400B1 EP 1222400 B1 EP1222400 B1 EP 1222400B1 EP 99947181 A EP99947181 A EP 99947181A EP 99947181 A EP99947181 A EP 99947181A EP 1222400 B1 EP1222400 B1 EP 1222400B1
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- F04D29/58—Cooling; Heating; Diminishing heat transfer
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- 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 the flow formed in between rotors and stators of turbomachinery Radial gaps, according to the preamble of claim 1 and the preamble of claim 7, but in particular for the indirect cooling of the flow in the radial gap between the compressor wheel and the housing of a centrifugal compressor.
- a simply constructed centrifugal compressor without one formed in the separation gap Sealing geometry is known from DE 195 48 852 A1. Also, it ensures the result resulting from flow shear layers on the rear wall of the compressor wheel Frictional heat for heating the compressor wheel and thus for a reduction of its life.
- the invention seeks to avoid all these disadvantages. It's up to you underlying, with respect to its cooling effect improved cooling method the flow formed in between rotors and stators of turbomachinery To create radial gaps. In addition, a simple, inexpensive and robust device for implementing the method can be specified.
- this is achieved by using a method according to The preamble of claim 1, water as a cooling fluid for the radial gap adjacent stator part is used.
- the water used as a cooling medium has a slightly higher density than the known lubricating oils and about twice as large specific heat capacity. Since the dissipated via a cooling medium heat flow proportional The product of density and specific heat capacity is obtained when used of water a distinct advantage over oil cooling. At the same Mass flow and the same temperature of the water can thus from the through the radial gap flowing medium on the stator part to be cooled a greater amount of heat to be withdrawn. The cooling effect on the at the radial gap adjacent areas of the rotor is therefore also larger. In reverse is used to derive the same amount of heat to the lubricating oil a smaller mass flow of cooling water needed, whereby the supply and discharge device can be dimensioned correspondingly smaller for the cooling medium.
- At least one inside the radial gap adjacent stator Recess formed or disposed on the stator at least one cavity.
- the recess or the cavity is both with a supply line and connected to a discharge line for the cooling fluid. About these lines is the cooling fluid introduced or discharged again.
- the cooling fluid introduced or discharged again.
- the rotor side Wall thickness which should be kept as low as possible, can through the the radial gap immediately adjacent water flow in the interior of the stator an improved cooling effect can be achieved.
- the recess formed in the stator of the cavity described on the stator so can with equally good cooling effect a simpler and more cost-effective production will be realized.
- a charge air cooler and an exhaust gas turbocharger existing system will either fresh water from outside the Systems or advantageously used in the system existing water as cooling fluid. In the latter case, this can be found in a cooling water circuit of the intercooler cooling water used, which branched off upstream of the intercooler becomes.
- the stationary stator part is a housing part of a radial compressor, which is the radial gap to the rotor, i. to the rotating compressor wheel an exhaust gas turbocharger limited.
- a tube cast in the latter is formed, whereby a simple and robust cooling device is created.
- Alternatively is arranged in the stator at least one groove, wherein in each groove at least one inserted as a recess serving pipe and shed.
- a stator with at least one corresponding, cast-in core is removed to form the recess.
- An additional benefit is achieved by removing the cooling fluid prior to water cooling of the radial gap adjacent stator for indirect cooling of the Main flow of the working medium downstream of the diversion of the leakage flow receiving diffuser and the diffuser delimiting the bearing housing Diffuser plate is used. This can also be done in this downstream Effective cooling of the material of the turbomachine can be achieved. In addition, the heat flow from the diffuser to the radial gap is adjacent Stator part reduced.
- a second cooling fluid is used and introduced into the radial gap, preferably using air comes. Due to the double cooling of the radial gap, the temperature of the thermally heavily loaded rotor are further lowered. These are at the radial gap at least one feed channel and a discharge device for the second Cooling fluid arranged.
- FIG. 1 shows, in a schematic illustration, one with a diesel engine trained internal combustion engine 1 cooperating exhaust gas turbocharger 2.
- the latter consists of a centrifugal compressor 3 and an exhaust gas turbine 4, which have a common shaft 5.
- the centrifugal compressor 3 is via a charge air line 6 and the exhaust gas turbine 4 via an exhaust pipe 7 with the internal combustion engine 1 connected.
- a charge air cooler 8 is arranged in the charge air line 6, i. between the centrifugal compressor 3 and the internal combustion engine 1.
- the intercooler 8 has a cooling water circuit 9 with a not shown Supply and removal.
- the centrifugal compressor 3 is equipped with a compressor housing 10 in which designed as a compressor wheel and connected to the shaft 5 rotor 11 is arranged is.
- the compressor wheel 11 has one with a plurality of blades 12 occupied hub 13. Between the hub 13 and the compressor housing 10th a flow channel 14 is formed. Downstream of the blades 12 connects the flow channel 14 a radially arranged, bladed diffuser 15, which in turn opens into a spiral 16 of the centrifugal compressor 3.
- the compressor housing 10 consists mainly of an air inlet housing 17, a Air outlet housing 18, a diffuser plate 19 and as an intermediate wall to a Bearing housing 21 of the exhaust gas turbocharger 2 formed stator 20 (FIG. 2).
- the hub 13 has on the turbine side a rear wall 22 and a mounting sleeve 23 for the shaft 5 on.
- the fastening sleeve 23 is from the intermediate wall 20th received the compressor housing 10.
- another suitable Compressor wheel shaft connection can be selected.
- a bladed diffuser possible.
- a separating gap which is formed as a radial gap 24 in a centrifugal compressor 3 is.
- the radial gap 24 takes a the compressor housing 10 opposite the bearing housing 21 sealing labyrinth seal 25.
- a circumferential recess 26 is formed and with both a supply and with a discharge line 27, 28 for a Cooling fluid 29 connected (Fig. 2, Fig. 3).
- the intermediate wall 20 is the compressor wheel side the recess 26 formed as thin as possible. This is in the production the intermediate wall 20 a thin-walled and closed at both ends Poured tube 30 whose interior forms the recess 26 (Fig. 2).
- the compressor wheel 11 sucks as a working medium 31 ambient air, as a main flow 32 through the flow channel 14 and the diffuser 15 enters the spiral 16, there further compressed and finally via the charge air line 6 for charging with the exhaust gas turbocharger 2 connected internal combustion engine 1 is used. But before that happens in the intercooler 8 a corresponding cooling of the heated during the compression process Working medium 31.
- cooling fluid 29 After the cooling process is the now heated cooling fluid 29 via the discharge line 28 downstream of the intercooler 8 fed back into the cooling water circuit 9 (Fig. 1).
- intercooler 8 and Exhaust gas turbocharger 2 existing cooling water and fresh water from outside supplied to the system as cooling fluid 29 (not shown).
- a third embodiment 20 is a groove in the intermediate wall 35 trained.
- two tubes 36 are inserted and potted, wherein the two tubes 36 have a connecting line 37. Again form the Interiors of the tubes 36, the recess 26 (Fig. 4).
- the groove 35 are arranged only a single tube 36.
- two or more grooves 35 are formed, which also can accommodate more than two tubes 36 (not shown).
- a cavity 38 which on the turbine side is completed by a cover 39 (Fig. 5).
- the cavity 38 with a supply and with a discharge line 27, 28 connected for the cooling fluid 29.
- the lid 39 and thus also the cavity 38 can with the same function of course arranged on the compressor side of the intermediate wall 21 be (not shown).
- the intermediate wall 20 is radially outward formed extended so that they are essential areas of the diffuser 15th covered.
- the intermediate wall 20 has a corresponding outer ring 43 on.
- a circumferential cavity 44 is formed in the interior of the outer ring 43.
- the supply line 27 for the cooling fluid 29 engages the outer ring 43 and opens into the cavity 44, which other end with the recess 26th the intermediate wall 20 is connected (Fig. 6).
- the cooling fluid 29, starting from the supply line 27 first introduced into the cavity 44 of the outer ring 43, where it is the indirect Cooling of the diffuser 15 and the diffuser plate 19 is used. Only then does the Introduction of the cooling fluid 29 in the recess 26 of the intermediate wall 20. There the indirect cooling of the leakage flow 33, which has already been described above, takes place. The recirculation of the cooling fluid 29 into the cooling water circuit 9 also becomes realized via the discharge line 28.
- the intermediate wall 20, as in the US 4815184, also directly into the Pass over diffuser plate 19 and with the recess 26 of the intermediate wall 20 connected cavity 44 may be disposed in the diffuser plate 19 (not shown).
- a direct cooling of the leakage flow 33 is provided.
- feed channels 40 for a second cooling fluid 41 both the Bearing housing 21 and the diffuser plate 19 arranged penetrating (Fig. 7).
- the feed channels 40 are downstream of the intercooler 8 with the charge air line 6 connected, so that is used as the second cooling fluid 41 cooled charge air (Fig. 1).
- the second Cooling fluid 41 Due to the tangential introduction of the second cooling fluid 41 is a pure film cooling realized the entire rear wall 22 of the compressor 11.
- the second Cooling fluid 41 replaces the hot leakage flow 33, so that at the Rear wall 22 of the compressor wheel 11 forming boundary layer already from the beginning is mainly formed by the cooled charge air.
- This combination of indirect and direct cooling has a special one Cooling effect, because the two cooling options complement each other in their effect and thus for a very high temperature reduction in the compressor 11th to care.
- other cooling media 41 may be used as the second cooling fluid 41 be, with an external supply of compressed air is possible (not shown).
- FIG. 1 additionally shows the arrangement of a control valve 45 in the feed channel 40 for the second cooling fluid 41.
- the quantitative Supply of the second cooling fluid 41 are regulated, so that an adjustment the cooling effect on the expected conditions or on the current temperature conditions during operation of the exhaust gas turbocharger 2 allows becomes.
- the control valve 45 also by hand as well as not shown Measuring and control unit are operated.
- questionable quantities are the temperature of the charge air after the intercooler 8 or the Temperature of the intermediate wall 20 itself.
- the supply of the second cooling fluid 41 not only partially but also completely prevented become. In the latter case, then only indirect cooling, i. a water cooling takes place.
- cooling configurations described above can be arbitrary be combined with each other, regardless of whether in the radial gap 24, a labyrinth seal 25 is arranged or not.
- partition wall cooling alone is from the outset any increase in the compressor thrust and the air leakage into the bearing housing 21 of the exhaust gas turbocharger 2 avoided.
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Description
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.The invention relates to a method and a device for indirect cooling
the flow formed in between rotors and stators of turbomachinery
Radial gaps, according to the preamble of
Zur Abdichtung rotierender Systeme sind im Turbomaschinenbau berührungsfreie Dichtungen, insbesondere Labyrinthdichtungen weit verbreitet. Im fluiddurchströmten Trennspalt zwischen rotierenden und stehenden Teilen tritt infolge der sich ausbildenden Strömungsgrenzschichten eine hohe Reibleistung 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.For sealing rotating systems are non-contact in turbomachinery Gaskets, especially labyrinth seals widely used. In the fluid flowed through Separating gap between rotating and stationary parts occurs as a result of Forming flow boundary layers on a high friction loss. This leads to a heating of the fluid in the separating gap and thus also to the heating the components surrounding the separation gap. The high material temperatures have a reduction in the life of the corresponding components result.
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.A simply constructed centrifugal compressor without one formed in the separation gap Sealing geometry is known from DE 195 48 852 A1. Also, it ensures the result resulting from flow shear layers on the rear wall of the compressor wheel Frictional heat for heating the compressor wheel and thus for a reduction of its life.
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 aussen. 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 Strömungsgrenzschichten.From EP 0 518 027 B1 is an air cooling for radial compressor with a sealing geometry known on the back of the compressor wheel. This is between the individual sealing elements an additional annular space on the housing wall side of the Radial compressor formed. In this annulus, a cold gas is introduced, which is higher than the pressure prevailing at the outlet of the compressor wheel having. The supplied air acts as impingement cooling. She shares in the Sealing area and flows mainly radially inwards and outwards. This should also have a barrier effect against the flow through the Separating gap achieved with hot compressor air from the exit of the compressor wheel become. The air injected in this way, however, provides for a thrust increase and for additional friction losses in the flow boundary layers.
Neben dieser direkten Kühlung ist aus der DE 196 52 754 A1 auch eine indirekte Kühlung der Rückwand des Verdichterrades bzw. des durch den Trennspalt 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 Verpuffungsgefahr.In addition to this direct cooling is from DE 196 52 754 A1 also an indirect Cooling the rear wall of the compressor wheel or flowing through the separation gap Medium known. This is on or in the back wall and with this the separating gap forming housing part with the lubricating oil system of the Turbocharger connected supply and distribution arranged. As a cooling medium used for bearing lubrication oil, including the lubricating oil circuit of Turbocharger is tapped. A disadvantage of this cooling is the relatively high oil requirement and the heat to be dissipated by the oil cooler. This leads to a increased volume of the radiator. In addition, there is an accident with Damage to the corresponding components an increased risk of deflagration.
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 Turbomaschinen ausgebildeten Radialspalten zu geben. Ausserdem beschäftigt sich diese Lösung ausdrücklich nicht mit der Kühlung der Zwischenwand.With the US 4815184 is also a water cooling of the bearing housing of a turbocharger known. However, this cooling is used to eliminate the risk of coking of remaining after the shutdown of the turbocharger in the bearing housing Lubricating oil. In contrast to the solutions of the prior art described above Technology is thus the supply of the cooling medium not during continuous operation but rather when switching off the turbocharger required. Therefore, this can Type of cooling of the bearing housing no indication of indirect cooling of the Flow formed in between rotors and stators of turbomachinery To give radial gaps. Moreover, this solution is explicitly not concerned with the cooling of the partition.
Aus der US 2,384,251 ist eine indirekte Kühlung des Diffusors bekannt, bei der ein Kühlmedium durch einen den Diffusor umgebenden Ringraum gepumpt wird. Auch dieses Dokument beschäftigt sich nicht mit der Kühlung der Zwischenwand und liefert keinen Hinweis auf eine indirekten Kühlung der Strömung in zwischen Rotoren und Statoren von Turbomaschinen ausgebildeten Radialspalten. From US 2,384,251 an indirect cooling of the diffuser is known in which a Cooling medium is pumped through a surrounding the diffuser annular space. Also This document is not concerned with the cooling of the curtain wall and gives no indication of indirect cooling of the flow in between rotors and stators of turbomachinery formed radial gaps.
Die Erfindung versucht alle diese Nachteile zu vermeiden. Ihr liegt die Aufgabe zugrunde, 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.The invention seeks to avoid all these disadvantages. It's up to you underlying, with respect to its cooling effect improved cooling method the flow formed in between rotors and stators of turbomachinery To create radial gaps. In addition, a simple, inexpensive and robust device for implementing the method can be specified.
Erfindungsgemäss wird dies dadurch erreicht, dass bei einem Verfahren gemäss
dem Oberbegriff des Anspruchs 1, Wasser als Kühlfluid für das dem Radialspalt
benachbarte Statorteil verwendet wird.According to the invention, this is achieved by using a method according to
The preamble of
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 Umkehrschluss 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.The water used as a cooling medium has a slightly higher density than the known lubricating oils and about twice as large specific heat capacity. Since the dissipated via a cooling medium heat flow proportional The product of density and specific heat capacity is obtained when used of water a distinct advantage over oil cooling. At the same Mass flow and the same temperature of the water can thus from the through the radial gap flowing medium on the stator part to be cooled a greater amount of heat to be withdrawn. The cooling effect on the at the radial gap adjacent areas of the rotor is therefore also larger. In reverse is used to derive the same amount of heat to the lubricating oil a smaller mass flow of cooling water needed, whereby the supply and discharge device can be dimensioned correspondingly smaller for the cooling medium.
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 Kühlfluid verbunden. Über diese Leitungen wird das Kühlfluid eingeleitet bzw. wieder abgeleitet. In Abhängigkeit von der rotorseitigen 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 Ausnehmung im Statorteil der beschriebene Hohlraum am Statorteil ausgebildet, so kann bei ebenfalls guter Kühlwirkung eine einfachere und kostengünstigere Herstellung realisiert werden.For this purpose, at least one inside the radial gap adjacent stator Recess formed or disposed on the stator at least one cavity. The recess or the cavity is both with a supply line and connected to a discharge line for the cooling fluid. About these lines is the cooling fluid introduced or discharged again. Depending on the rotor side Wall thickness, which should be kept as low as possible, can through the the radial gap immediately adjacent water flow in the interior of the stator an improved cooling effect can be achieved. But instead of the recess formed in the stator of the cavity described on the stator, so can with equally good cooling effect a simpler and more cost-effective production will be realized.
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 Kühlfluid 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.In one of an internal combustion engine, a charge air cooler and an exhaust gas turbocharger existing system will either fresh water from outside the Systems or advantageously used in the system existing water as cooling fluid. In the latter case, this can be found in a cooling water circuit of the intercooler cooling water used, which branched off upstream of the intercooler becomes. The stationary stator part is a housing part of a radial compressor, which is the radial gap to the rotor, i. to the rotating compressor wheel an exhaust gas turbocharger limited.
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 Ausnehmung entfernt wird.As a recess of the stator part, a tube cast in the latter is formed, whereby a simple and robust cooling device is created. Alternatively is arranged in the stator at least one groove, wherein in each groove at least one inserted as a recess serving pipe and shed. Far easier in the production of course is a stator with at least one corresponding, cast-in core, which is removed to form the recess.
Ein zusätzlicher Vorteil wird erreicht, indem das Kühlfluid vor der Wasserkühlung des dem Radialspalt benachbarten Statorteils zur indirekten Kühlung des die Hauptströmung des Arbeitsmediums stromab der Abzweigung der Leckageströmung 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.An additional benefit is achieved by removing the cooling fluid prior to water cooling of the radial gap adjacent stator for indirect cooling of the Main flow of the working medium downstream of the diversion of the leakage flow receiving diffuser and the diffuser delimiting the bearing housing Diffuser plate is used. This can also be done in this downstream Effective cooling of the material of the turbomachine can be achieved. In addition, the heat flow from the diffuser to the radial gap is adjacent Stator part reduced.
Besonders vorteilhaft wird neben der Wasserkühlung ein zweites Kühlfluid 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 Radialspalt zumindest ein Zuführkanal sowie eine Abführeinrichtung für das zweite Kühlfluid angeordnet.Particularly advantageous, in addition to the water cooling, a second cooling fluid is used and introduced into the radial gap, preferably using air comes. Due to the double cooling of the radial gap, the temperature of the thermally heavily loaded rotor are further lowered. These are at the radial gap at least one feed channel and a discharge device for the second Cooling fluid arranged.
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.By the supply of the second cooling fluid partially or completely turned off is, the cooling effect in a simple manner during operation of the turbomachine expected conditions or the current temperature conditions be adjusted.
In der Zeichnung sind mehrere Ausführungsbeispiete der Erfindung anhand eines mit einer Brennkraftmaschine verbundenen Abgasturboladers dargestellt.In the drawing, several Ausführungsbeispiete the invention with reference to a shown connected to an internal combustion engine exhaust gas turbocharger.
Es zeigen:
- Fig. 1
- eine schematische Darstellung des mit der Brennkraftmaschine verbundene Abgasturboladers;
- Fig. 2
- einen Teillängsschnitt 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.
- Fig. 1
- a schematic representation of the engine connected to the exhaust gas turbocharger;
- Fig. 2
- a partial longitudinal section through the radial compressor of the exhaust gas turbocharger;
- Fig. 3
- a representation according to FIG 2, but in a second embodiment.
- Fig. 4
- a representation according to FIG 2, but in a third embodiment.
- Fig. 5
- a representation according to FIG. 2, but in a fourth embodiment;
- Fig. 6
- a representation according to FIG. 2, but in a further embodiment;
- Fig. 7
- a representation according to FIG. 2, but in a next embodiment.
Es sind nur die für das Verständnis der Erfindung wesentlichen Elemente gezeigt. Die Strömungsrichtung der Arbeitsmittel ist mit Pfeilen bezeichnet. Only the elements essential to the understanding of the invention are shown. The flow direction of the working means is indicated by arrows.
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 Ladeluftleitung
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 Brennkraftmaschine 1, ist ein Ladeluftkühler 8 angeordnet.
Der Ladeluftkühler 8 besitzt einen Kühlwasserkreislauf 9 mit einer nicht dargestellten
Zu- bzw. Abfuhr.FIG. 1 shows, in a schematic illustration, one with a diesel engine
trained
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).The
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-Verbindung gewählt werden. Ebenso ist auch der
Einsatz eines unbeschaufelten Diffusors möglich.The
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 ausgebildet
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
Kühlfluid 29 verbunden (Fig. 2, Fig. 3). Um eine möglichst hohe Kühlwirkung beim
benachbarten Verdichterrad 11 zu erzielen, ist die Zwischenwand 20 verdichterradseitig
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).Between the
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 Brennkraftmaschine 1 eingesetzt wird. Zuvor erfolgt jedoch im Ladeluftkühler
8 eine entsprechende Abkühlung des beim Verdichtungsvorgang aufgeheizten
Arbeitsmediums 31.During operation of the exhaust gas turbocharger 2, the
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 Kühlfluid 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 Kühlfluid 29 über die Abfuhrleitung 28 stromab
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 Kühlfluid 29 zugeführt werden (nicht dargestellt).On their way from the
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).In a second embodiment, in which the
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).According to a
Alternativ zur Ausnehmung 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 Kühlfluid 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).As an alternative to the
Bei den zuletzt genannten Ausführungsbeispielen erfolgt die indirekte Kühlung der
im Radialspalt 24 befindlichen Leckageströmung 33 und damit auch des Verdichterrades
11 im wesentlichen analog zu dem im ersten Ausführungsbeispiel beschriebenen
Vorgang.In the latter embodiments, the indirect cooling of the
located in the
In einem weiteren Ausführungsbeispiel ist die Zwischenwand 20 nach radial aussen
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 Kühlfluid 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).In a further embodiment, the
Bei dieser Lösung wird das Kühlfluid 29 ausgehend von der Zufuhrleitung 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.In this solution, the cooling
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).Of course, the
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 Kühlfluid 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 Kühlfluid 41 gekühlte Ladeluft Verwendung findet
(Fig. 1). In a next embodiment, in addition to the previously described indirect
Cooling a direct cooling of the
Durch die tangentiale Einleitung des zweiten Kühlfluids 41 wird eine reine Filmkühlung
der gesamten Rückwand 22 des Verdichterrades 11 realisiert. Das zweite
Kühlfluid 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 Kühlfluid 41 auch andere Kühlmedien verwendet
werden, wobei auch eine externe Zuführung von Pressluft möglich ist
(nicht dargestellt).Due to the tangential introduction of the
Die Figur 1 zeigt zusätzlich auch die Anordnung eines Stellventils 45 im Zuführkanal
40 für das zweite Kühlfluid 41. Mit Hilfe dieses Stellventils 45 kann die mengenmässige
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. lnfrage kommende Messgrössen
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.FIG. 1 additionally shows the arrangement of a
Selbstverständlich können die oben beschriebenen Kühlkonfigurationen 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. Of course, the cooling configurations described above can be arbitrary
be combined with each other, regardless of whether in the
- 11
- BrennkraftmaschineInternal combustion engine
- 22
- Abgasturboladerturbocharger
- 33
- Radialverdichtercentrifugal compressors
- 44
- Abgasturbineexhaust turbine
- 55
- Wellewave
- 66
- LadeluftleitungTurbo pipe
- 77
- Abgasleitungexhaust pipe
- 88th
- LadeluftkühlerIntercooler
- 99
- KühlwasserkreislaufCooling water circuit
- 1010
- Verdichtergehäusecompressor housing
- 1111
- Rotor, VerdichterradRotor, compressor wheel
- 1212
- Laufschaufelblade
- 1313
- Nabehub
- 1414
- Strömungskanalflow channel
- 1515
- Diffusordiffuser
- 1616
- Spiralespiral
- 1717
- LufteintrittgehäuseAir intake housing
- 1818
- LuftaustrittgehäuseAir outlet housing
- 1919
- Diffusorplattediffuser plate
- 2020
- Statorteil, ZwischenwandStator part, intermediate wall
- 2121
- Lagergehäusebearing housing
- 2222
- Rückwandrear wall
- 2323
- Befestigungsmuffemounting sleeve
- 2424
- Radialspalt, TrennspaltRadial gap, separating gap
- 2525
- Labyrinthdichtunglabyrinth seal
- 2626
- Ausnehmungrecess
- 2727
- Zufuhrleitungsupply line
- 2828
- Abfuhrleitungdischarge line
- 2929
- Kühlfluidcooling fluid
- 3030
- Rohr pipe
- 3131
- Arbeitsmediumworking medium
- 3232
- Hauptströmungmainstream
- 3333
- Leckageströmungleakage flow
- 3434
- Dichtungsringsealing ring
- 3535
- Nutgroove
- 3636
- Rohrpipe
- 3737
- Verbindungsleitungconnecting line
- 3838
- Hohlraumcavity
- 3939
- Deckelcover
- 4040
- Zuführkanalfeed
- 4141
- zweites Kühlfluid, Ladeluftsecond cooling fluid, charge air
- 4242
- Abführeinrichtungremoval device
- 4343
- Aussenringouter ring
- 4444
- Hohlraumcavity
- 4545
- StellventilControl valve
Claims (10)
- Method for cooling the flow in radial gaps formed between rotors and stators of turbomachines, a leakage flow (33) branching off from a main flow (32) of a working medium (31) of the turbomachine and flowing into the radial gap (24), in which method a first cooling fluid (29) is admitted to a stator part (20) adjacent to the radial gap (24), characterized in that the main flow (32) of the working medium (31) is directed into a diffuser (15) downstream of the branching-off point of the leakage flow (33), and in that the first cooling fluid (29), before it is admitted to the stator part (20) adjacent to the radial gap (24), is used for the indirect cooling of the diffuser (15) and a diffuser plate (19), water being used as first cooling fluid (29), and in that a second cooling fluid (41) is directed into the radial gap (24).
- Method according to Claim 1, characterized in that the feeding of the second cooling fluid (41) is partly shut off, and air is preferably used as second cooling fluid.
- Method according to Claim 1 or 2, characterized in that the first cooling fluid (29) is introduced into a recess (26) formed in the stator part (20) or into a cavity (38) arranged at the stator part (20).
- Method according to Claim 3, characterized in that fresh water from outside a system consisting of an internal combustion engine (1), a charge-air cooler (8) and an exhaust-gas turbocharger (2) is used as first cooling fluid (29).
- Method according to Claim 3, characterized in that water present in a system consisting of an internal combustion engine (1), a charge-air cooler (8) and an exhaust-gas turbocharger (2) is used as first cooling fluid (29) .
- Method according to Claim 5, characterized in that cooling water present in a cooling-water circuit (9) of the charge-air cooler (8) is used as first cooling fluid (29) and the latter is branched off upstream of the charge-air cooler (8).
- Arrangement for carrying out the method according to Claim 1, in which a fixed stator part (20) is arranged so as to define the radial gap (24) relative to the rotor (11), characterized in that at least one recess (26) is formed in the interior of the stator part (20) or at least one cavity (38) is arranged at the stator part (20), and the recess (26) or the cavity (38) is connected to both a feed line (27) and a discharge line (28) for a cooling fluid (29) and in that at least one feed passage (40) as well as a discharge device (42) for a second cooling fluid (41) are arranged at the radial gap (24).
- Arrangement according to Claim 7, characterized in that at least one integrally cast tube (30) is arranged in the stator part (20).
- Arrangement according to Claim 7, characterized in that at least one groove (35) is arranged in the stator part (20), and at least one tube (36) is inserted and encapsulated in each groove (35).
- Arrangement according to Claim 7, characterized in that the fixed stator part (20) is designed as part of a compressor casing (10) of a radial compressor (3), and this part bounds the radial gap (24) relative to a rotating compressor impeller (11) of an exhaust-gas turbocharger (2).
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17Q | First examination report despatched |
Effective date: 20040226 |
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RBV | Designated contracting states (corrected) |
Designated state(s): DE FR GB |
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RIN1 | Information on inventor provided before grant (corrected) |
Inventor name: GIESZAUF, HELMUT Inventor name: GREBER, JUERG Inventor name: BREMER, JOACHIM Inventor name: MUELLER, ULF, CHRISTIAN Inventor name: BOTHIEN, MIHAJLO-RUEDIGER Inventor name: WUNDERWALD, DIRK |
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GRAS | Grant fee paid |
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GRAA | (expected) grant |
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AK | Designated contracting states |
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ET | Fr: translation filed | ||
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