EP1260677A2 - Axialturbine mit Berstschutz - Google Patents

Axialturbine mit Berstschutz Download PDF

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EP1260677A2
EP1260677A2 EP02010986A EP02010986A EP1260677A2 EP 1260677 A2 EP1260677 A2 EP 1260677A2 EP 02010986 A EP02010986 A EP 02010986A EP 02010986 A EP02010986 A EP 02010986A EP 1260677 A2 EP1260677 A2 EP 1260677A2
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EP
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turbine
exhaust gas
housing
axial
gas diffuser
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EP1260677B1 (de
EP1260677B2 (de
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Klaus Dr. Bartholomä
Wolfgang Schmidt
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    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D21/00—Shutting-down of machines or engines, e.g. in emergency; Regulating, controlling, or safety means not otherwise provided for
    • F01D21/04—Shutting-down of machines or engines, e.g. in emergency; Regulating, controlling, or safety means not otherwise provided for responsive to undesired position of rotor relative to stator or to breaking-off of a part of the rotor, e.g. indicating such position
    • F01D21/045—Shutting-down of machines or engines, e.g. in emergency; Regulating, controlling, or safety means not otherwise provided for responsive to undesired position of rotor relative to stator or to breaking-off of a part of the rotor, e.g. indicating such position special arrangements in stators or in rotors dealing with breaking-off of part of rotor
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2220/00—Application
    • F05D2220/40—Application in turbochargers

Definitions

  • the invention relates to an axial turbine of an exhaust gas turbocharger with one a turbine inflow housing with a gas outlet side wall and a Turbine outflow housing formed with a gas inlet side wall Turbine housing, in this a turbine disk supported by a shaft Blades is arranged, the turbine disk to the outside of one Exhaust gas diffuser is limited to form a flow channel and at A burst protection in the turbine housing in the axial area of the turbine disk is provided.
  • burst protection was in the form of a Burst protection ring as an integral part of the turbine outflow housing or a cover ring for the turbine disc, for example by means of a Clamping ring is screwed to the diffuser, a sufficient means to to prevent broken blades from escaping from the turbine housing.
  • At least the cover ring is therefore not made of one brittle material such as steel or a steel alloy, while the other parts of the axial turbine continue in a known manner from cast parts can exist so that this energy dissipation is optimized. Also for same purpose is preferably the cover ring on the support wall supported by means of flexible connecting elements on the exhaust gas diffuser.
  • the fragments meet the annular one radially outward Extension piece of the outer contour of the exhaust gas diffuser.
  • This ring-shaped, or cylindrical extension piece in that it over the axial Area of the turbine disk is designed, a substantial part of the Absorb kinetic energy of the fragments.
  • the ring-shaped extension piece of the outer contour of the exhaust gas diffuser by means of radially arranged ribs reinforced.
  • the remaining energy of the fragments is replaced by that in radial Direction exactly above the center plane of the turbine disc gas inlet side wall of the turbine discharge housing, wherein a massive flange connection between the turbine inflow housing, Diffuser outer wall and turbine outflow housing is preferably rigid.
  • the exhaust gas turbocharger of the type on which the drawing is based comprises one Axial turbine 1, which consists of a turbine inflow housing 2 with a gas outlet side wall 3 and a turbine outflow housing 4 with a gas inlet side wall 5 has assembled turbine housing.
  • a turbine disk 7 carried by a shaft 6 Blades 8 arranged.
  • the blades 8 of the turbine disc 7 are outward from one Exhaust gas diffuser 9 limited and by this in a flow channel 14 added.
  • the outer wall 10 of the exhaust gas duffus 9 is in the axial area the turbine disk 7 in the radial direction with an outer 11 and one Inner contour 12 executed. Between the outer 11 and inner contour 12 is one cylindrical or annular support wall 13 formed, the Outer contour 11 in the form of an annular or cylindrical Extension piece is executed, which over the axial area of Turbine disk 7 is designed pulled.
  • the Flow channel 14 formed, the exhaust gases of a not shown here Motors picks up and in a known manner to the blades 8 of the Turbine disk 7 continues.
  • Upstream in the flow channel 14 is a one Outer 15 and an inner ring 16 comprising nozzle ring inserted by means of Connecting elements 17 and flanges 18 on outer 15 and inner ring 16 with the turbine inflow housing 2 is connected.
  • Axially between the nozzle ring 15, 16 and exhaust gas diffuser 9 is a cover ring 19 for the Blades 8 of the turbine disc 7, the flow channel 14 on the Inner contour 12 of the exhaust gas diffuser 9 clamped in a sealing manner, such that the Nozzle ring both between its outer ring 15 and cover ring 19 a gap 28 as well as a gap between its inner ring 16 and the turbine disk 7 20 trains.
  • Another gap 21 is between the turbine disk 7 and the Leave inner wall 22 of exhaust gas diffuser 9 in a known manner.
  • the cover ring 19 is located on the support wall 13 of the exhaust gas diffuser 9 supporting by means of flexible connecting elements 27, for example expansion screws, on Exhaust diffuser 9 fixed.
  • the turbine inflow 2 and turbine outflow housing 4 are in this way with one another connected that the gas inlet side wall 5 of the turbine outflow housing 4 in radial direction exactly aligned over the central plane 23 of the turbine disk 7 stands.
  • the annular extension piece of the outer contour 11 of the exhaust gas diffuser 9 has a peripheral, or several individual mounting flange / s at the end 24 on, which in the connection of turbine inflows 2 and Turbine outflow housing 4 clamped and by means of rigid connecting elements 25 is screwed to these.
  • annular extension piece of the outer contour 11 is by means of radially arranged ribs 26 reinforced.

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Abstract

Um eine Axialturbine (1) eines Abgasturboladers mit einem aus einem Turbinenzuströmgehäuse (2) und einem Turbinenabströmgehäuse (4) ausgebildeten Turbinengehäuse, in diesem eine von einer Welle (6) getragene Turbinenscheibe (7) angeordnet ist, bei der die Turbinenscheibe (7) nach außen von einem Abgasdiffusor (9) unter Ausbildung eines Strömungskanals begrenzt ist, so weiterzubilden, dass das Austreten von Bruchstücken einer geborstenen Turbinenscheibe aus dem Turbinengehäuse auch bei extrem hohen Umfangsgeschwindigkeiten verhindert werden kann, ist vorgesehen, dass die Außenwand (10) des Abgasdiffusors (9) im axialen Bereich der Turbinenscheibe (7) in radialer Richtung mit einer Außen- (11) und einer Innenkontur (12) ausgeführt ist und zwischen der Außen- (11) und Innenkontur (12) eine ringförmige Stützwandung (13) vorgesehen ist, wobei die Außenkontur (11) in Form eines ringförmigen Verlängerungsstücks ausgeführt ist, das über den axialen Bereich der Turbinenscheibe (7) gezogen ausgestaltet ist, dass ein zwischen Stützwandung (13) und Innenkontur (12) des Abgasdiffusors (9) angeordneter Abdeckring (19) für die Turbinenscheibe (7) vorgesehen ist, und dass Turbinenzuström- (2) und Turbinenabströmgehäuse (4) derart miteinander verbunden sind, dass die gaseintrittseitige Wand (5) des Turbinenabströmgehäuses (4) in radialer Richtung über der Mittelebene (23) der Turbinenscheibe (7) steht. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft eine Axialturbine eines Abgasturboladers mit einem aus einem Turbinenzuströmgehäuse mit einer gasaustrittseitigen Wand und einem Turbinenabströmgehäuse mit einer gaseintrittseitigen Wand ausgebildeten Turbinengehäuse, in diesem eine von einer Welle getragene Turbinenscheibe mit Laufschaufeln angeordnet ist, die Turbinenscheibe nach außen von einem Abgasdiffusor unter Ausbildung eines Strömungskanals begrenzt ist und bei der im Turbinengehäuse im axialen Bereich der Turbinenscheibe ein Berstschutz vorgesehen ist.
Um hohe Ladedrücke zu erreichen, drehen heutige Abgasturbolader mit sehr hohen Umfangsgeschwindigkeiten. Insbesondere bei großen Abgasturboladern führt dies dazu, dass die Bruchstücke einer eventuell geborstenen Turbinenscheibe, bzw. einer Laufschaufel nur durch aufwendige konstruktive Maßnahmen im Turbinengehäuse zurückgehalten werden können.
In der Vergangenheit war bereits im Turbinengehäuse ein sich axial im Bereich der Turbinenscheibe erstreckender Schutz- oder Berstring vorgesehen.
Der grundsätzliche Aufbau und die Wirkungsweise derartiger Axialturbinen für Abgasturbolader sind an sich bekannt und bedürfen daher im vorliegenden Zusammenhang keiner näheren Erläuterung mehr. So ist beispielsweise in der EP 0 806 547 A1 eine gattungsbildende Axialturbine beschrieben, bei der die gaseintrittseitige Wand des Turbinenabströmgehäuses die Funktion eines Berstschutzes für die Turbinenscheibe übernimmt. Dazu ist der Berstschutz als Ring in Form eines integralen, sich im wesentlichen radial erstreckenden Bestandteils der gaseintrittseitigen Wand des Turbinenabströmgehäuses ausgebildet und entweder direkt oder über ein stromauf angeordnetes axiales Verlängerungsstück mit dem Turbinenzuströmgehäuse verbunden.
Im Verlauf der Entwicklung von axial durchströmten Turbinen für Abgasturbolader ging jedoch der Trend von langen schmalen Laufschaufeln hin zu kurzen breiten, sogenannten "wide cord"-Schaufeln mit reduzierter Schaufelzahl. Dadurch werden die einzelnen Laufschaufeln schwerer und die Turbinenscheiben, die diese Schaufeln auch bei hohen Umfangsgeschwindigkeiten sicher halten müssen, breiter. Diese Maßnahmen führen natürlich dazu, dass die rotierenden Massen größer werden. In Verbindung mit den heute üblichen hohen Umfangsgeschwindigkeiten entstehen dadurch erheblich gesteigerte Zentrifugalkräfte, denen durch eine bessere Ausführung von Schutzmassnahmen Rechnung getragen werden muss.
In der Vergangenheit war ein voran beschriebener Berstschutz in Form eines Berstschutzringes als ein integraler Bestandteil des Turbinenabströmgehäuses oder ein Abdeckring für die Turbinenscheibe, der beispielsweise mittels eines Klemmringes am Diffusor angeschraubt ist, ein ausreichendes Mittel, um gebrochene Laufschaufeln am Ausdringen aus dem Turbinengehäuse zu hindern.
Durch die gestiegenen Anforderungen reicht die voran beschriebene Maßnahme jedoch nicht mehr aus, um einen sicheren Berstschutz zu gewährleisten, der ein Durchschlagen der Außenwand des Turbinengehäuses zuverlässig verhindert und eine Gefährdung von Personen oder eine Beschädigung benachbarter Maschinenteile ausschliesst.
Hiervon ausgehend ist es daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Axialturbine eingangs erwähnter Art mit einfachen und kostengünstigen Mitteln so weiterzubilden, dass das Austreten von Bruchstücken einer geborstenen Turbinenscheibe oder eines geborstenen Laufrades aus dem Turbinengehäuse auch bei extrem hohen Umfangsgeschwindigkeiten verhindert werden kann, ohne einen zusätzlichen Berstschutz außerhalb des Turbinengehäuses vorsehen zu müssen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
Dadurch, dass die Außenwand des Abgasdiffusors im axialen Bereich der Turbinenscheibe in radialer Richtung mit einer Außen- und einer Innenkontur ausgeführt ist und zwischen der Außen- und Innenkontur eine ringförmige Stützwandung vorgesehen ist, wobei die Außenkontur in Form eines ringförmigen Verlängerungsstücks ausgeführt ist, das über den axialen Bereich der Turbinenscheibe gezogen ausgestaltet ist, dass ein zwischen Stützwandung und Innenkontur des Abgasdiffusors angeordneter Abdeckring für die Turbinenscheibe vorgesehen ist, und dass Turbinenzuström- und Turbinenabströmgehäuse derart miteinander verbunden sind, dass die gaseintrittseitige Wand des Turbinenabströmgehäuses in radialer Richtung über der Mittelebene der Turbinenscheibe steht, wird ein dreistufiger Berstschutz in der Axialturbine erreicht, der alle Anforderungen erfüllt.
Im Falle eines Bruches der Turbinenscheibe oder einer Turbinenschaufel werden die Bruchstücke zuerst (1. Stufe) an den Abdeckring an der Stützwandung des Abgasdiffusors geschleudert. Sind die Bruchstücke so groß, dass Abdeckring und Stützwandung den Beanspruchungen nicht standhalten, so wird durch deren Bruch ein Teil der kinetischen Energie der Bruchstücke dissipiert.
In bevorzugter Weise ist zumindest der Abdeckring deshalb aus einem nicht spröden Material wie Stahl oder einer Stahllegierung gefertigt, während die anderen Teile der Axialturbine weiterhin in bekannter Weise aus Gussteilen bestehen können, so dass diese Energiedissipation optimiert ist. Auch zum gleichen Zweck ist bevorzugt der Abdeckring sich an der Stützwandung abstützend mittels flexibler Verbindungselemente am Abgasdiffusor fixiert.
In der zweiten Stufe treffen die Bruchstücke radial nach außen auf das ringförmige Verlängerungsstück der Außenkontur des Abgasdiffusors. Dieses ringförmige, bzw. zylinderförmige Verlängerungsstück kann dadurch, dass es über den axialen Bereich der Turbinenscheibe gezogen ausgestaltet ist, einen wesentlichen Teil der Bewegungsenergie der Bruchstücke aufnehmen. Dazu ist in bevorzugter Weise das ringförmige Verlängerungsstück der Außenkontur des Abgasdiffusors mittels radial angeordneter Rippen verstärkt.
In der dritten Stufe wird die restliche Energie der Bruchstücke durch die in radialer Richtung genau über der Mittelebene der Turbinenscheibe stehenden gaseintrittseitigen Wand des Turbinenabströmgehäuses aufgenommen, wobei eine massive Flanschverbindung zwischen Turbinenzuströmgehäuse, Diffusoraußenwand und Turbinenabströmgehäuse bevorzugt starr ausgeführt ist.
Die Erfindung soll nachfolgend aus einer Beispielsbeschreibung anhand der Zeichnung näher erläutert werden.
Die nachstehend beschriebene Zeichnung zeigt einen Teillängsschnitt durch eine erfindungsgemäße Axialturbine eines Abgasturboladers. Es sind dabei nur die für das Verständnis der Erfindung wesentlichen Element dargestellt und bezeichnet. Nicht dargestellt ist beispielsweise die Verdichterseite des Abgasturboladers. Die Strömungsrichtung des Abgases ist mittels Pfeilen angedeutet.
Der Abgasturbolader der in der Zeichnung zugrundeliegenden Art umfasst eine Axialturbine 1, die ein aus einem Turbinenzuströmgehäuse 2 mit einer gasaustrittseitigen Wand 3 und einem Turbinenabströmgehäuse 4 mit einer gaseintrittseitigen Wand 5 zusammengesetztes Turbinengehäuse besitzt. Im Turbinengehäuse ist eine von einer Welle 6 getragene Turbinenscheibe 7 mit Laufschaufeln 8 angeordnet.
Die Laufschaufeln 8 der Turbinenscheibe 7 werden nach außen von einem Abgasdiffusor 9 begrenzt und von diesem in einem Strömungskanal 14 aufgenommen. Die Außenwand 10 des Abgasduffusors 9 ist im axialen Bereich der Turbinenscheibe 7 in radialer Richtung mit einer Außen- 11 und einer Innenkontur 12 ausgeführt. Zwischen der Außen- 11 und Innenkontur 12 ist eine zylindrische, bzw. ringförmige Stützwandung 13 angeformt, wobei die Außenkontur 11 in Form eines ringförmigen, bzw. zylindrischen Verlängerungsstückes ausgeführt ist, das über den axialen Bereich der Turbinenscheibe 7 gezogen ausgestaltet ist.
Zwischen der Turbinenscheibe 7 und dem Turbinengehäuse ist der Strömungskanal 14 ausgebildet, der die Abgase eines hier nicht dargestellten Motors aufnimmt und in bekannter Weise zu den Laufschaufeln 8 der Turbinenscheibe 7 weiterführt. Stromauf im Strömungskanal 14 ist ein einen Außen- 15 und einen Innenring 16 umfassender Düsenring eingelegt, der mittels Verbindungselementen 17 und Flanschen 18 an Außen- 15 und Innenring 16 mit dem Turbinenzuströmgehäuse 2 verbunden ist.
Axial zwischen Düsenring 15, 16 und Abgasdiffusor 9 ist ein Abdeckring 19 für die Laufschaufeln 8 der Turbinenscheibe 7 den Strömungskanal 14 an der Innenkontur 12 des Abgasdiffusors 9 abdichtend eingespannt, derart dass der Düsenring sowohl zwischen seinem Außenring 15 und Abdeckring 19 einen Spalt 28 als auch zwischen seinem Innenring 16 und der Turbinenscheibe 7 einen Spalt 20 ausbildet. Ein weiterer Spalt 21 ist zwischen Turbinenscheibe 7 und der Innenwand 22 des Abgasdiffusors 9 in bekannter Weise belassen.
Der Abdeckring 19 ist sich an der Stützwandung 13 des Abgasdiffusors 9 abstützend mittels flexibler Verbindungselemente 27, bspw. Dehnschrauben, am Abgasdiffusor 9 fixiert.
Das Turbinenzuström- 2 und Turbinenabströmgehäuse 4 sind derart miteinander verbunden, dass die gaseintrittseitige Wand 5 des Turbinenabströmgehäuses 4 in radialer Richtung genau fluchtend über der Mittelebene 23 der Turbinenscheibe 7 steht.
Das ringförmige Verlängerungsstück der Außenkontur 11 des Abgasdiffusors 9 weist endseitig einen umlaufenden, oder mehrere einzelne Befestigungsflansch/e 24 auf, der/die in die Verbindung von Turbinenzuström- 2 und Turbinenabströmgehäuse 4 eingeklemmt und mittels starrer Verbindungselemente 25 mit diesen verschraubt ist.
Des weiteren ist das ringförmige Verlängerungsstück der Außenkontur 11 mittels radial angeordneter Rippen 26 verstärkt.
Bezugszeichenliste
1
Axialturbine
2
Turbinenzuströmgehäuse
3
Gasaustrittseitige Wand
4
Turbinenabströmgehäuse
5
Gaseintrittseitige Wand
6
Welle
7
Turbinenscheibe
8
Laufschaufel
9
Abgasdiffusor
10
Außenwand
11
Außenkontur
12
Innenkontur
13
Stützwandung
14
Strömungskanal
15
Außenring des Düsenrings
16
Innenring des Düsenrings
17
Verbindungselemente
18
Flansche
19
Abdeckring
20
Spalt
21
Spalt
22
Innenwand des Abgasdiffusors
23
Mittelebene
24
Befestigungsflansch
25
starres Verbindungselement
26
Rippen
27
flexibles Verbindungselement
28
Spalt

Claims (6)

  1. Axialturbine eines Abgasturboladers mit einem aus einem Turbinenzuströmgehäuse mit einer gasaustrittseitigen Wand und einem Turbinenabströmgehäuse mit einer gaseintrittseitigen Wand ausgebildeten Turbinengehäuse, in diesem eine von einer Welle getragene Turbinenscheibe mit Laufschaufeln angeordnet ist, bei der die Turbinenscheibe nach außen von einem Abgasdiffusor unter Ausbildung eines Strömungskanals begrenzt ist und bei der im Turbinengehäuse im axialen Bereich der Turbinenscheibe ein Berstschutz vorgesehen ist,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Außenwand (10) des Abgasdiffusors (9) im axialen Bereich der Turbinenscheibe (7) in radialer Richtung mit einer Außen- (11) und einer Innenkontur (12) ausgeführt ist und zwischen der Außen- (11) und Innenkontur (12) eine ringförmige Stützwandung (13) vorgesehen ist, wobei die Außenkontur (11) in Form eines ringförmigen Verlängerungsstücks ausgeführt ist, das über den axialen Bereich der Turbinenscheibe (7) gezogen ausgestaltet ist,
    dass ein zwischen Stützwandung (13) und Innenkontur (12) des Abgasdiffusors (9) angeordneter Abdeckring (19) für die Turbinenscheibe (7) und Laufschazfeln (8) vorgesehen ist, und
    dass Turbinenzuström- (2) und Turbinenabströmgehäuse (4) derart miteinander verbunden sind, dass die gaseintrittseitige Wand (5) des Turbinenabströmgehäuses (4) in radialer Richtung über der Mittelebene (23) der Turbinenscheibe (7) steht.
  2. Axialturbine nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass der Abdeckring (19) sich an der Stützwandung (13) abstützend mittels flexibler Verbindungselemente (27) am Abgasdiffusor (9) fixiert ist.
  3. Axialturbine nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass das ringförmige Verlängerungsstück der Außenkontur (11) des Abgasdiffusors (9) mittels radial angeordneter Rippen (26) verstärkt ist.
  4. Axialturbine nach Anspruch 1 oder 3,
    dadurch gekennzeichnet, dass das ringförmige Verlängerungsstück (11) endseitig einen Befestigungsflansch (24) aufweist, der in die Verbindung von Turbinenzuström- (2) und Turbinenabströmgehäuse (4) einklemmbar ist.
  5. Axialturbine nach Anspruch 1 oder 4,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung von Turbinenzuström- (2) und Turbinenabströmgehäuse (4) mittels starrer Verbindungselemente (25) herstellbar ist.
  6. Axialturbine nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass zumindest der Abdeckring (19) des Abgasdiffusors (9) aus einem nicht spröden Material wie Stahl oder einer Stahllegierung gefertigt sind.
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