EP1561008A1

EP1561008A1 - Geschlitzte strömungsleitschaufel

Info

Publication number: EP1561008A1
Application number: EP03753200A
Authority: EP
Inventors: Jozef Baets; Balz Flury
Original assignee: ABB Turbo Systems AG
Current assignee: Accelleron Industries AG
Priority date: 2002-11-13
Filing date: 2003-10-24
Publication date: 2005-08-10
Also published as: AU2003271491A1; WO2004044387A1

Abstract

Ein Düsenring umfasst zwei Befestigungselemente (21, 22) und dazwischen angeordnete Strömungsleitschaufeln (3). Die Strömungsleitschaufeln (3) weisen ein stromlinienförmiges Profil auf. Im Bereich der Hinterkante (31) sind die Strömungsleitschaufeln (3) entsprechend dünn ausgebildet, um strömungstechnische Verluste zu reduzieren. In diesem dünn ausgebildeten Bereich (32) ist ein Schlitz (4) eingelassen. Durch den Schlitz werden bei der Nassreinigung des Düsenrings mit kaltem Wasser grossflächige thermische Spannungen stark reduziert, so dass eine starke Verformung der Strömungsleitschaufeln selbst bei hohen Temperaturen vermieden wird.

Description

GESCHLITZTE STROMÜWGSLEITSCHAUFEL

B ES C H R E I B U N G

Technisches Gebiet

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der mit Brennkraftmaschinen verbundenen Abgasturbolader. Die Erfindung betrifft eine Strömungsleitschaufel für einen Düsenring gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 , sowie einen solche Stromungsleitschaufeln umfassenden Düsenring, welcher im Einströmkanal einer geschaufelten Ab- gasturbine angeordnet ist, und das Arbeitsmedium auf die Schaufeln der Turbine leitet.

Stand der Technik

Die Verwendung von Abgasturboladern zur Leistungssteigerung von Brennkraftmaschinen ist heute weit verbreitet. Dabei wird die Abgasturbine des Turboladers mit den Abgasen der Brennkraftmaschine beaufschlagt und deren kinetische Energie zum Ansaugen und Verdichten von Luft für die Brennkraftmaschine verwendet. Im Einströmkanal der Abgasturbine ist dabei koaxial zur Welle der Turbine ein Düsenring angeordnet, welcher die Abgase auf die Schaufeln der Turbine leitet. In Abhängigkeit von der konkreten Betriebssituation und der Zusammensetzung der zum Antrieb der Brennkraftmaschine verwendeten Brennstoffe kommt es in der Abgasturbine früher oder später zu einer Verschmutzung der Laufschaufeln und des Düsenrings, wobei letzterer wesentlich stärker betroffen ist. Im Schwerölbetrieb bildet sich auf dem Düsenring eine harte Schmutzschicht aus. Solche Schmutzablagerungen im Bereich des Düsenrings führen zu einem schlechteren Turbinenwirkungsgrad und demzufolge zur Verringerung der Leistung der Brennkraftmaschine. Ausserdem kommt es im Brennraum zu einer Erhöhung der Abgastemperaturen sowie der Drücke, wodurch die Brennkraftmaschine und insbesondere deren Ventile geschädigt oder gar zerstört werden können. Deshalb müssen die Düsenringe regelmässig von den ihnen anhaftenden Verschmutzungen befreit werden. Eine Reinigung der Düsenringe in demontiertem Zustand erfordert das Abschalten des Turboladers über einen längeren Zeitraum und ist daher nicht erwünscht. Demzufolge haben sich Reinigungsverfahren durchgesetzt, bei denen der Turbolader in Betrieb bleiben kann und nicht demontiert werden muss. Als geeignete Verfahren zur Beseitigung von Düsenring-Verschmutzungen sind die Nassreinigung mit Wasser und die Trockenreinigung mit einem Granulat bekannt. Die Einspeisung des jeweilige Reinigungsmediums erfolgt stromauf der Abgasturbine, im Bereich der diese mit der Brennkraftmaschine verbindenden Abgasleitung.

Eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Nassreinigung des Düsenrings einer Abgasturbolader-Turbine ist in EP 0 781 897 B1 beschrieben. Eine spezielle Ausbildung des Gaseintrittgehäuses ermöglicht das Einspritzen von Wasser in den Bereich unmittelbar vor dem Düsenring. Das relativ kalte Wasser wird nach dem Einspritzen in den Abgasstrom der Brennkraftmaschine von diesem zum Düsenring mitgeführt. Dort trifft es auf die Schmutzablagerungen des Düsenrings, welche durch die Verdampfung des Wassers auf der Oberfläche plötzlich sehr stark abgekühlt werden. Das Wasser dringt in die Schmutzschicht ein und die Ablagerungen werden teils aufgelöst. Durch mehrmaliges Anwenden dieser Thermoschockbehandlung wird ein sauberer Düsenring erreicht.

Das Nassreinigen mit dem relativ kalten Wasser führt zu erheblichen thermischen Belastungen der Turbinenkomponenten. Insbesondere können thermische Spannungen an den Schaufeln den Düsenring beschädigen. Um dies zu verhindern, ist eine Absenkung der Abgastemperatur nötig, wodurch die Brennkraftmaschine nur mit reduzierter Last betrieben werden kann.

Kurze Darstellung der Erfindung

Der Erfindung wie sie in den Patentansprüchen definiert ist, liegt demzufolge die Aufgabe zugrunde, Düsenringströmungsleitschaufeln der eingangs genannten Art zu schaffen, welche den erhöhten thermischen Belastungen einer Nassreinigung des Düsenrings mit kaltem Wasser bei Betrieb der Brennkraftmaschine mit nicht reduzierter Last standhält.

Die Düsenringströmungsleitschaufel gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 , welche einen dünnen Hinterkantenbereich umfasst, zeichnet sich dadurch aus, dass in die Stromungsleitschaufeln jeweils im Hinterkantenbereich mindestens ein Schlitz in die Strömungsleitschaufeloberfläche eingelassen ist.

Durch die Schlitze werden bei der Nassreinigung des Düsenrings mit kaltem Wasser grossflächige thermische Spannungen stark reduziert, so dass eine starke Verformung der Stromungsleitschaufeln selbst bei hohen Temperaturen vermieden wird.

Weitere Vorteile ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Zum besseren Verständnis und zur Illustration der erzielten Vorteile wird anschliessend die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Hierbei zeigen:

Fig. 1 eine Teilansicht eines Düsenrings mit einer erfindungsgemässen Düsenring- strömungsleitschaufel,

Fig. 2 eine Teilansicht eines Düsenrings mit einem geschlitzten Aussenring,

Fig. 3 eine Teilansicht eines Düsenrings mit einer Düsenringströmungsleitschaufel gemäss dem Stand der Technik mit der thermischen Spannungsverteilung beim Nassreinigen mit kaltem Wasser, und

Fig. 4 eine Teilansicht des Düsenrings mit der erfindungsgemässen Düsenringströmungsleitschaufel nach Fig. 1 mit der thermischen Spannungsverteilung beim Nassreinigen mit kaltem Wasser.

Weg zur Ausführung der Erfindung

Fig. 1 zeigt einen Teil eines axial durchströmten Düsenrings, welcher zwei Befestigungselemente in Form eines Innenrings 21 und eines Aussenrings 22 mit dazwischen angeordneten Stromungsleitschaufeln 3 umfasst. Innen-, Aussenring und Stromungsleitschaufeln sind in der Regel aus einem Stück gefertigt. Der Düsenring kann auch zwei- oder mehrteilig ausgebildet sein, indem beispielsweise lediglich die Stromungsleitschaufeln und der Innenring bzw. die Stromungsleitschaufeln und der Aussenring einteilig gegossen und über die Stromungsleitschaufeln an dem entsprechenden weiteren Befestigungselement befestigt sind. Bei einem radial durchströmten Düsenring sind die beiden Befestigungselemente ebenfalls als Ringe ausgebildet, welche jedoch in axialer Richtung beidseitig der Stromungsleitschaufeln angeordnet sind.

Die Stromungsleitschaufeln 3 weisen ein stromlinienförmiges Profil auf. Das Arbeitsmedium strömt im Betrieb entlang der Oberfläche 33 der Stromungsleitschaufeln 3 während es von diesen in die gewünschte Richtung abgelenkt wird. Im Bereich der Hinterkante 31 sind die Stromungsleitschaufeln 3 entsprechend dünn ausgebildet, um strömungstechnische Verluste zu reduzieren. In diesem dünn ausgebildeten Bereich 32 ist erfindungsgemäss ein Schlitz 4 eingelassen. Anstelle von einem Schlitz können die Stromungsleitschaufeln auch mehrere Schlitze aufweisen.

Die Anordnung des einen oder der mehreren Schlitze entlang der Schaufelhöhe an der Schaufelhinterkante ist eine Frage der Grosse und der Geometrie der Schaufel. Zusätzlich muss die Anordnung der Schaufel im Düsenring berücksichtigt werden. Vorteilhafterweise sind der eine oder die mehreren Schlitze entlang der Schaufelhöhe im Bereich der grössten thermischen Spannung der Strömungsleitschaufel angeordnet, welche beim Abschrecken der heissen Strömungsleitschaufel mit möglichst kaltem Reinigungswasser zum Erreichen des eingangs erwähnten Reinigungseffekts auftreten. Dank des einen oder der mehreren Schlitze wird die thermische Spannung weitgehend gelöst. Am Grössten ist diese Entspannung, wenn ein Schlitz in demjenigen Bereich der Schaufel angeordnet ist, welcher beim Reinigen direkt mit dem kalten Wasser angestrahlt wird. In dem Bereich sind in der Regel der Thermoschock und die daraus resultierenden Spannungen am grössten.

In der dargestellten Ausführungsform verläuft der Schlitz 4 im wesentlichen in einem rechten Winkel zur Hinterkante 31. Allgemein verläuft er in Strömungsrichtung des Arbeitsmediums, welches durch die Stromungsleitschaufeln umgelenkt wird. Dadurch ergeben sich geringere strömungstechnische Verluste. Die Strömungsrichtung ist abhängig von der Geometrie der Schaufel sowie der Anordnung der Schaufel im Düsenring. Bei herkömmlichen Schaufeln ergeben sich zwischen Strömungsrichtung und Hinterkante Winkel im Bereich von rund 70 bis 110 Grad.

Aus strömungstechnischem Grund ist der Schlitz 4 vorteilhafterweise so dünn wie möglich ausgeführt, wohingegen die thermisch bedingte Ausdehnungen der Schaufel eine gewisse Mindestbreite bedingt. Aus strömungstechnischen Gründen und/oder um der unterschiedlichen, thermisch bedingten Ausdehnung der verschieden dicken Bereichen der Schaufel gerecht zu werden kann der Schlitz eine variable Breite aufweisen.

Die Länge des Schlitzes 4 ergibt sich aus der Breite des hochbelasteten Bereichs. Dieser ist abhängig von der Grosse und dem Profil der Schaufel. Je länger der dünn ausgebildete Bereich der Schaufelhinterkante ist, desto länger muss auch der entsprechende Schlitz sein, um den gewünschte Effekt der Entlastung des Hinterkantenbereichs zu erzielen. Bei herkömmlichen Schaufeln ergibt sich eine Länge des Schlitzes von rund einem Viertel der Schaufelsehnenlänge.

Sind im Bereich der Turbinenschaufeln strömungsstörende Elemente, beispielsweise ein durch Löcher in den Turbinenschaufeln geführter Dämpfungsdraht, angebracht, werden die Schlitze in den Leitschaufeln vorteilhafterweise stromauf auf der Höhe dieser strömungsstörenden Elementen angeordnet. Da so die durch diese Elemente und die Schlitze verursachten Strömungsstörungen in Strömungsrichtung hintereinander liegen, wird die gesamte, nicht vermeidbare Strömungsstörung nicht zusätzlich erhöht.

In Fig. 2 ist ein Ausschnitt aus einem Düsenring dargestellt, bei welchem der Aussenring 22 über Ringschlitze 23 verfügt. Die erfindungsgemässen Schlitze 4 in den Stromungsleitschaufeln 3 sind in Fig. 2 vereinfachend weggelassen, es hat sich jedoch gezeigt, dass gerade das Zusammenspiel Letzterer mit den Ringschlitzen 23 eine optimale Spannungsreduktion im gesamten Düsenring erlaubt. Die Ringschlitze 23 sind gleichmässig über den gesamten Umfang des Aussenrings 22 verteilt und bevorzugt mittig zwischen zwei Stromungsleitschaufeln 3 vorzusehen.

Fig. 3 zeigt eine Strömungsleitschaufel ohne den Schlitz im Moment der grössten thermischen Belastung. Das kalte Wasser trifft auf die heisse Strömungsleitschaufel. Diese kühlt sich im dünnen Bereich der Hinterkante sehr viel schneller ab als im dickeren Vorderteil, was zu den enormen Spannungen führt. In der Mitte des Schaufelhinterkantenbereichs sind die höchstbelasteten Zonen hervorgehoben. Häufiges Wiederholen dieses Thermoschocks beschleunigt den Alterungsprozess der Strömungsleitschaufel und führt schliesslich zur Deformation der Strömungsleitschaufel.

Grosse Spannungen bilden sich auch in den Abschnitten des Hinterkantenbereichs, welche unmittelbar an die Befestigungselemente angrenzen. Auch in diesen Abschnitten der Hinterkante können entsprechende Schlitze eingelassen werden, um einer De- formation der Schaufeln zuvorzukommen. Auch diese Schlitze weisen eine der Grosse des Höchstspannungsbereichs angepasste Länge auf.

Dagegen ist bei der in Fig. 4 dargestellten, erfindungsgemässen Strömungsleitschaufel der hochbelastete Bereich durch einen Schlitz geteilt. Der zweigeteilte Bereich in der Mitte der Hinterkante kann sich während der raschen Abkühlung dehnen, ohne dass die Schaufel als Ganzes zu verronnen droht.

Um die verbleibenden, geringen Spannungen am Ende des Schlitzes zu lösen, kann im Bereich des Endes des Schlitzes eine Erweiterung des Schlitzes angeordnet sein. Dies kann beispielsweise, wie in Fig. 1 angedeutet, eine zusätzliche, quer zum Schlitz 4 verlaufende Ausbohrung 41 sein.

Bezugszeichenliste 1 Düsenring

21 Innenring

22 Aussenring

23 Ringschlitz

3 Stromungsleitschaufeln

31 Schaufelhinterkante

32 Schaufelhinterkantenbereich

33 Schaufeloberfläche

4 Schlitz

41 Querbohrung

Claims

PATE NTANS P R ÜCH E

1. Düsenringströmungsleitschaufel (3) mit einer Hinterkante (3) und einem dünnen Hinterkantenbereich (32), dadurch gekennzeichnet, dass im Hinterkantenbereich (32) durch die Strömungsleitschaufeloberfläche (33) mindestens ein Schlitz (4) in die Strömungsleitschaufel (3) eingelassen ist.

2. Düsenringströmungsleitschaufel nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Schlitz (4) zur Hinterkante (31) einen Winkel von 70 bis 110 Grad bildet.

3. Düsenringströmungsleitschaufel nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Schlitz (4) die Schaufelhinterkante (31) teilt.

4. Düsenringströmungsleitschaufel nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Schlitz (4) im Bereich der beim Reinigen der Düsenringströmungsleitschaufel (3) mit kaltem Wasser grössten zu erwartenden thermischen Spannung angeordnet ist.

5. Düsenringströmungsleitschaufel nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Schlitz (4) eine Länge von mindestens einem Viertel der Sehnenlänge der Düsenringströmungsleitschaufel (3) hat.

6. Düsenringströmungsleitschaufel nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Düsenringströmungsleitschaufel zum Befestigen an mindestens einem Befestigungselement (21 ,22) vorgesehen ist, und dass mindestens ein Schlitz (4) in einem im befestigten Zustand an das Befestigungselement angrenzenden Abschnitt des Hinterkantenbereichs (32) eingebracht ist.

7. Düsenring (1), mit einem Innenring (21) und einem Aussenring (22) als ringförmigen Befestigungselementen sowie einer Vielzahl von an einem Befestigungselement (21 ,22) befestigten Stromungsleitschaufeln (3) gemäss einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Aussenring (22) Ringschlitze (23) aufweist.

8. Düsenring (1) mit einem Innenring (21) und einem Aussenring (22) als ringförmigen Befestigungselementen sowie einer Vielzahl von an einem Befestigungselement (21 ,22) befestigten Stromungsleitschaufeln (3) gemäss einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Befestigungselement (21 ,22) und die Stromungsleitschaufeln (3) aus einem Stück gefertigt sind.

9. Turbine eines Turboladers, umfassend ein durch Abgase einer mit dem Turbolader verbundenen Brennkraftmaschine antreibbares Turbinenrad mit einer Vielzahl von Lauf schaufeln, sowie einen die Abgase auf die Laufschaufeln des Turbinenrades leitenden Düsenring gemäss Anspruch 7.

10. Turbine nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der Laufschaufeln strömungsstörende Elemente angeordnet sind, und dass mindestens ein Schlitz im Hinterkantenbereich der Stromungsleitschaufeln auf der Höhe der strömungsstörenden Elemente eingebracht ist.