EP1561008A1 - Slotted guide vane - Google Patents

Slotted guide vane

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Publication number
EP1561008A1
EP1561008A1 EP03753200A EP03753200A EP1561008A1 EP 1561008 A1 EP1561008 A1 EP 1561008A1 EP 03753200 A EP03753200 A EP 03753200A EP 03753200 A EP03753200 A EP 03753200A EP 1561008 A1 EP1561008 A1 EP 1561008A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
flow guide
nozzle ring
guide vane
slot
ring
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP03753200A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Jozef Baets
Balz Flury
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Accelleron Industries AG
Original Assignee
ABB Turbo Systems AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by ABB Turbo Systems AG filed Critical ABB Turbo Systems AG
Publication of EP1561008A1 publication Critical patent/EP1561008A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/12—Blades
    • F01D5/14—Form or construction
    • F01D5/141—Shape, i.e. outer, aerodynamic form
    • F01D5/146—Shape, i.e. outer, aerodynamic form of blades with tandem configuration, split blades or slotted blades
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D25/00—Component parts, details, or accessories, not provided for in, or of interest apart from, other groups
    • F01D25/002—Cleaning of turbomachines
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D9/00—Stators
    • F01D9/02—Nozzles; Nozzle boxes; Stator blades; Guide conduits, e.g. individual nozzles
    • F01D9/04—Nozzles; Nozzle boxes; Stator blades; Guide conduits, e.g. individual nozzles forming ring or sector
    • 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
    • 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
    • F05D2260/00—Function
    • F05D2260/94—Functionality given by mechanical stress related aspects such as low cycle fatigue [LCF] of high cycle fatigue [HCF]
    • 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
    • F05D2260/00—Function
    • F05D2260/94—Functionality given by mechanical stress related aspects such as low cycle fatigue [LCF] of high cycle fatigue [HCF]
    • F05D2260/941—Functionality given by mechanical stress related aspects such as low cycle fatigue [LCF] of high cycle fatigue [HCF] particularly aimed at mechanical or thermal stress reduction

Definitions

  • the invention relates to the field of exhaust gas turbochargers connected to internal combustion engines.
  • the invention relates to a flow guide vane for a nozzle ring according to the preamble of patent claim 1, and to a nozzle ring comprising such flow guide vanes, which is arranged in the inflow channel of a scooped exhaust gas turbine and directs the working medium onto the blades of the turbine.
  • exhaust gas turbochargers to increase the performance of internal combustion engines
  • the exhaust gas turbine of the turbocharger is charged with the exhaust gases of the internal combustion engine and its kinetic energy is used for the intake and compression of air for the internal combustion engine.
  • a nozzle ring is arranged coaxially to the shaft of the turbine, which guides the exhaust gases onto the blades of the turbine.
  • the exhaust gas turbine sooner or later becomes contaminated with the rotor blades and the nozzle ring, the latter being significantly more affected.
  • a hard layer of dirt forms on the nozzle ring.
  • a device and a method for wet cleaning the nozzle ring of an exhaust gas turbocharger turbine is described in EP 0 781 897 B1.
  • a special design of the gas inlet housing enables water to be injected into the area immediately in front of the nozzle ring. After being injected into the exhaust gas stream of the internal combustion engine, the relatively cold water is carried by the latter to the nozzle ring. There it encounters the dirt deposits in the nozzle ring, which are suddenly cooled very strongly by the evaporation of the water on the surface. The water penetrates into the dirt layer and the deposits are partially dissolved. By applying this thermal shock treatment several times, a clean nozzle ring is achieved.
  • the invention as defined in the claims is therefore based on the object of creating nozzle ring flow guide vanes of the type mentioned which can withstand the increased thermal loads of wet cleaning of the nozzle ring with cold water when the internal combustion engine is operating with a non-reduced load.
  • the nozzle ring flow guide vane according to the preamble of claim 1, which comprises a thin trailing edge area, is characterized in that in the flow guide vanes are each made in the trailing edge area at least one slot in the flow guide vane surface.
  • FIG. 1 is a partial view of a nozzle ring with a nozzle ring flow guide vane according to the invention
  • FIG. 2 is a partial view of a nozzle ring with a slotted outer ring
  • FIG 3 shows a partial view of a nozzle ring with a nozzle ring flow guide vane according to the prior art with the thermal stress distribution during wet cleaning with cold water
  • Fig. 4 is a partial view of the nozzle ring with the inventive nozzle ring flow guide vane according to Fig. 1 with the thermal stress distribution during wet cleaning with cold water.
  • FIG. 1 shows part of an axially flowed-through nozzle ring, which comprises two fastening elements in the form of an inner ring 21 and an outer ring 22 with flow guide vanes 3 arranged therebetween.
  • the inner, outer ring and flow guide vanes are usually made from one piece.
  • the nozzle ring can also be formed in two or more parts, for example by integrally casting only the flow guide vanes and the inner ring or the flow guide vanes and the outer ring and fastening them to the corresponding further fastening element via the flow guide vanes.
  • the two fastening elements are likewise designed as rings, which, however, are arranged on both sides of the flow guide vanes in the axial direction.
  • the flow guide vanes 3 have a streamlined profile. In operation, the working medium flows along the surface 33 of the flow guide vanes 3 while being deflected by them in the desired direction. In the area of the rear edge 31, the flow guide vanes 3 are designed to be correspondingly thin in order to reduce fluidic losses. According to the invention, a slot 4 is let into this thin region 32. Instead of one slot, the flow guide vanes can also have several slots.
  • the arrangement of the one or more slots along the blade height on the blade rear edge is a question of the size and geometry of the blade.
  • the arrangement of the blade in the nozzle ring must also be taken into account.
  • the one or more slots are arranged along the blade height in the area of the greatest thermal stress of the flow guide vane, which occur when the hot flow guide vane is quenched with cleaning water that is as cold as possible to achieve the cleaning effect mentioned at the beginning. Thanks to the one or more slots, the thermal tension is largely released. This relaxation is greatest when a slot is arranged in the area of the blade which is directly illuminated with the cold water during cleaning. The thermal shock and the resulting tensions are usually the greatest in this area.
  • the slot 4 runs essentially at a right angle to the rear edge 31. In general, it runs in the flow direction of the working medium, which is deflected by the flow guide vanes. This results in lower fluidic losses.
  • the direction of flow depends on the geometry of the blade and the arrangement of the blade in the nozzle ring. With conventional blades, there are angles between the direction of flow and the rear edge in the range of around 70 to 110 degrees.
  • the slot 4 is advantageously made as thin as possible, whereas the thermal expansion of the blade requires a certain minimum width.
  • the slot can have a variable width to accommodate different, thermally induced expansion of the different thickness areas of the blade.
  • the length of the slot 4 results from the width of the highly stressed area. This depends on the size and profile of the bucket. The longer the thin area of the blade trailing edge, the longer the corresponding slot must be in order to achieve the desired effect of relieving the trailing edge area. With conventional blades, the length of the slot is around a quarter of the blade chord length.
  • the slots in the guide blades are advantageously arranged upstream at the level of these flow-disturbing elements. Since the flow disturbances caused by these elements and the slots lie one behind the other in the flow direction, the overall, unavoidable flow disturbance is not additionally increased.
  • FIG. 2 shows a section of a nozzle ring, in which the outer ring 22 has ring slots 23.
  • the slots 4 according to the invention in the flow guide blades 3 have been omitted in a simplified manner in FIG. 2, but it has been shown that the interaction of the latter with the ring slots 23 allows an optimal voltage reduction in the entire nozzle ring.
  • the ring slots 23 are distributed uniformly over the entire circumference of the outer ring 22 and are preferably to be provided centrally between two flow guide vanes 3.
  • the highly loaded area is divided by a slot.
  • the two-part area in the middle of the rear edge can expand during the rapid cooling, without the bucket threatening to dry out as a whole.
  • an extension of the slot can be arranged in the area of the end of the slot. As indicated in FIG. 1, this can be, for example, an additional bore 41 running transversely to the slot 4.

Landscapes

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Abstract

The invention concerns a nozzle ring comprising two fixing elements (21, 22) and, between said fixing elements, guide vanes (3). The guide vanes (3) have flow-line profiles. In the zone of their trailing edge (31), the guide vanes (3) are correspondingly thin so as to reduce losses related to fluid techniques. A slot (4) is provided in said zone (32) of thin design. Said slot enable, during wet process cleaning of the guide ring with cold water, a high reduction of large surface thermal stresses so as to avoid any marked deformation of the guide vanes at high temperatures.

Description

GESCHLITZTE STROMÜWGSLEITSCHAUFEL SLOTED POWER GUIDE BLADE
B ES C H R E I B U N GDESCRIPTION
Technisches GebietTechnical field
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.The invention relates to the field of exhaust gas turbochargers connected to internal combustion engines. The invention relates to a flow guide vane for a nozzle ring according to the preamble of patent claim 1, and to a nozzle ring comprising such flow guide vanes, which is arranged in the inflow channel of a scooped exhaust gas turbine and directs the working medium onto the blades of the turbine.
Stand der TechnikState of the art
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.The use of exhaust gas turbochargers to increase the performance of internal combustion engines is widespread today. The exhaust gas turbine of the turbocharger is charged with the exhaust gases of the internal combustion engine and its kinetic energy is used for the intake and compression of air for the internal combustion engine. In the inflow channel of the exhaust gas turbine, a nozzle ring is arranged coaxially to the shaft of the turbine, which guides the exhaust gases onto the blades of the turbine. Depending on the specific operating situation and the composition of the fuels used to drive the internal combustion engine, the exhaust gas turbine sooner or later becomes contaminated with the rotor blades and the nozzle ring, the latter being significantly more affected. In heavy oil operation, a hard layer of dirt forms on the nozzle ring. Such dirt deposits in the area of the nozzle ring lead to poorer turbine efficiency and consequently to a reduction in the performance of the internal combustion engine. In addition, there is an increase in the exhaust gas temperatures and the pressures in the combustion chamber, which can damage or even destroy the internal combustion engine and, in particular, its valves. For this reason, the nozzle rings must be regularly cleaned of the dirt adhering to them. Cleaning the nozzle rings in the disassembled state requires the turbocharger to be switched off for a longer period of time and is therefore not desired. As a result, cleaning procedures have become established in which the turbocharger can remain in operation and does not have to be dismantled. Wet cleaning with water and dry cleaning with granules are known as suitable processes for removing nozzle ring contamination. The respective cleaning medium is fed in upstream of the exhaust gas turbine, in the region of the exhaust line connecting it to the internal combustion engine.
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.A device and a method for wet cleaning the nozzle ring of an exhaust gas turbocharger turbine is described in EP 0 781 897 B1. A special design of the gas inlet housing enables water to be injected into the area immediately in front of the nozzle ring. After being injected into the exhaust gas stream of the internal combustion engine, the relatively cold water is carried by the latter to the nozzle ring. There it encounters the dirt deposits in the nozzle ring, which are suddenly cooled very strongly by the evaporation of the water on the surface. The water penetrates into the dirt layer and the deposits are partially dissolved. By applying this thermal shock treatment several times, a clean nozzle ring is achieved.
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.Wet cleaning with the relatively cold water leads to considerable thermal loads on the turbine components. In particular, thermal stresses on the blades can damage the nozzle ring. In order to prevent this, a reduction in the exhaust gas temperature is necessary, so that the internal combustion engine can only be operated with a reduced load.
Kurze Darstellung der ErfindungBrief description of the invention
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.The invention as defined in the claims is therefore based on the object of creating nozzle ring flow guide vanes of the type mentioned which can withstand the increased thermal loads of wet cleaning of the nozzle ring with cold water when the internal combustion engine is operating with a non-reduced load.
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.The nozzle ring flow guide vane according to the preamble of claim 1, which comprises a thin trailing edge area, is characterized in that in the flow guide vanes are each made in the trailing edge area at least one slot in the flow guide vane surface.
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.Due to the slots, large-area thermal stresses are greatly reduced when the nozzle ring is cleaned with cold water, so that a strong deformation of the flow guide vanes is avoided even at high temperatures.
Weitere Vorteile ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.Further advantages result from the dependent claims.
Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
Zum besseren Verständnis und zur Illustration der erzielten Vorteile wird anschliessend die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Hierbei zeigen:For a better understanding and to illustrate the advantages achieved, the invention is then explained in more detail with reference to the drawings. Here show:
Fig. 1 eine Teilansicht eines Düsenrings mit einer erfindungsgemässen Düsenring- strömungsleitschaufel,1 is a partial view of a nozzle ring with a nozzle ring flow guide vane according to the invention,
Fig. 2 eine Teilansicht eines Düsenrings mit einem geschlitzten Aussenring,2 is a partial view of a nozzle ring with a slotted outer ring,
Fig. 3 eine Teilansicht eines Düsenrings mit einer Düsenringströmungsleitschaufel gemäss dem Stand der Technik mit der thermischen Spannungsverteilung beim Nassreinigen mit kaltem Wasser, und3 shows a partial view of a nozzle ring with a nozzle ring flow guide vane according to the prior art with the thermal stress distribution during wet cleaning with cold water, and
Fig. 4 eine Teilansicht des Düsenrings mit der erfindungsgemässen Düsenringströmungsleitschaufel nach Fig. 1 mit der thermischen Spannungsverteilung beim Nassreinigen mit kaltem Wasser.Fig. 4 is a partial view of the nozzle ring with the inventive nozzle ring flow guide vane according to Fig. 1 with the thermal stress distribution during wet cleaning with cold water.
Weg zur Ausführung der ErfindungWay of carrying out the invention
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.1 shows part of an axially flowed-through nozzle ring, which comprises two fastening elements in the form of an inner ring 21 and an outer ring 22 with flow guide vanes 3 arranged therebetween. The inner, outer ring and flow guide vanes are usually made from one piece. The nozzle ring can also be formed in two or more parts, for example by integrally casting only the flow guide vanes and the inner ring or the flow guide vanes and the outer ring and fastening them to the corresponding further fastening element via the flow guide vanes. In the case of a radially flowed-through nozzle ring, the two fastening elements are likewise designed as rings, which, however, are arranged on both sides of the flow guide vanes in the axial direction.
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.The flow guide vanes 3 have a streamlined profile. In operation, the working medium flows along the surface 33 of the flow guide vanes 3 while being deflected by them in the desired direction. In the area of the rear edge 31, the flow guide vanes 3 are designed to be correspondingly thin in order to reduce fluidic losses. According to the invention, a slot 4 is let into this thin region 32. Instead of one slot, the flow guide vanes can also have several slots.
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.The arrangement of the one or more slots along the blade height on the blade rear edge is a question of the size and geometry of the blade. The arrangement of the blade in the nozzle ring must also be taken into account. Advantageously, the one or more slots are arranged along the blade height in the area of the greatest thermal stress of the flow guide vane, which occur when the hot flow guide vane is quenched with cleaning water that is as cold as possible to achieve the cleaning effect mentioned at the beginning. Thanks to the one or more slots, the thermal tension is largely released. This relaxation is greatest when a slot is arranged in the area of the blade which is directly illuminated with the cold water during cleaning. The thermal shock and the resulting tensions are usually the greatest in this area.
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.In the embodiment shown, the slot 4 runs essentially at a right angle to the rear edge 31. In general, it runs in the flow direction of the working medium, which is deflected by the flow guide vanes. This results in lower fluidic losses. The direction of flow depends on the geometry of the blade and the arrangement of the blade in the nozzle ring. With conventional blades, there are angles between the direction of flow and the rear edge in the range of around 70 to 110 degrees.
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.For fluidic reasons, the slot 4 is advantageously made as thin as possible, whereas the thermal expansion of the blade requires a certain minimum width. For fluidic reasons and / or around The slot can have a variable width to accommodate different, thermally induced expansion of the different thickness areas of the blade.
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.The length of the slot 4 results from the width of the highly stressed area. This depends on the size and profile of the bucket. The longer the thin area of the blade trailing edge, the longer the corresponding slot must be in order to achieve the desired effect of relieving the trailing edge area. With conventional blades, the length of the slot is around a quarter of the blade chord length.
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.If flow-disturbing elements, for example a damping wire guided through holes in the turbine blades, are attached in the region of the turbine blades, the slots in the guide blades are advantageously arranged upstream at the level of these flow-disturbing elements. Since the flow disturbances caused by these elements and the slots lie one behind the other in the flow direction, the overall, unavoidable flow disturbance is not additionally increased.
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.2 shows a section of a nozzle ring, in which the outer ring 22 has ring slots 23. The slots 4 according to the invention in the flow guide blades 3 have been omitted in a simplified manner in FIG. 2, but it has been shown that the interaction of the latter with the ring slots 23 allows an optimal voltage reduction in the entire nozzle ring. The ring slots 23 are distributed uniformly over the entire circumference of the outer ring 22 and are preferably to be provided centrally between two flow guide vanes 3.
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.3 shows a flow guide vane without the slot at the moment of the greatest thermal load. The cold water meets the hot flow guide vane. This cools down much faster in the thin area of the rear edge than in the thicker front part, which leads to enormous tensions. The most stressed zones are highlighted in the middle of the blade trailing edge area. Frequent repetition of this thermal shock accelerates the aging process of the flow guide vane and ultimately leads to the deformation of the flow guide vane.
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.Large tensions also form in the sections of the rear edge area which directly adjoin the fastening elements. Corresponding slots can also be made in these sections of the rear edge in order to prevent formation of the blades. These slots also have a length adapted to the size of the extra-high voltage range.
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.In contrast, in the inventive flow guide vane shown in FIG. 4, the highly loaded area is divided by a slot. The two-part area in the middle of the rear edge can expand during the rapid cooling, without the bucket threatening to dry out as a whole.
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.In order to release the remaining low stresses at the end of the slot, an extension of the slot can be arranged in the area of the end of the slot. As indicated in FIG. 1, this can be, for example, an additional bore 41 running transversely to the slot 4.
Bezugszeichenliste 1 Düsenring1 nozzle ring
21 Innenring21 inner ring
22 Aussenring22 outer ring
23 Ringschlitz23 ring slot
3 Stromungsleitschaufeln3 flow guide vanes
31 Schaufelhinterkante31 trailing edge of the bucket
32 Schaufelhinterkantenbereich32 Bucket trailing edge area
33 Schaufeloberfläche33 blade surface
4 Schlitz4 slot
41 Querbohrung 41 cross hole

Claims

PATE NTANS P R ÜCH E PATE NTANS PRÜCH 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.1. nozzle ring flow guide vane (3) with a trailing edge (3) and a thin trailing edge area (32), characterized in that in the trailing edge area (32) through the flow guide vane surface (33) at least one slot (4) is let into the flow guide vane (3).
2. Düsenringströmungsleitschaufel nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Schlitz (4) zur Hinterkante (31) einen Winkel von 70 bis 110 Grad bildet.2. nozzle ring flow guide vane according to claim 1, characterized in that the slot (4) to the rear edge (31) forms an angle of 70 to 110 degrees.
3. Düsenringströmungsleitschaufel nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Schlitz (4) die Schaufelhinterkante (31) teilt.3. nozzle ring flow guide vane according to claim 1, characterized in that the slot (4) divides the blade trailing edge (31).
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.4. nozzle ring flow guide vane according to claim 1, characterized in that the slot (4) is arranged in the region of the greatest to be expected thermal stress when cleaning the nozzle ring flow guide vane (3) with cold water.
5. Düsenringströmungsleitschaufel nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Schlitz (4) eine Länge von mindestens einem Viertel der Sehnenlänge der Düsenringströmungsleitschaufel (3) hat.5. nozzle ring flow guide vane according to claim 1, characterized in that the slot (4) has a length of at least a quarter of the chord length of the nozzle ring flow guide vane (3).
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.6. Nozzle ring flow guide vane according to claim 1, characterized in that the nozzle ring flow guide vane is provided for fastening to at least one fastening element (21, 22), and in that at least one slot (4) in a section of the rear edge region (32) adjoining the fastening element in the fastened state. is introduced.
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.7. nozzle ring (1) with an inner ring (21) and an outer ring (22) as annular fastening elements and a plurality of flow guide vanes (3) fastened to a fastening element (21, 22) according to one of claims 1 to 6, characterized in that that the outer ring (22) has ring slots (23).
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. 8. nozzle ring (1) with an inner ring (21) and an outer ring (22) as annular fastening elements and a plurality of flow guide vanes (3) fastened to a fastening element (21, 22) according to one of claims 1 to 6, characterized in that at least one fastening element (21, 22) and the flow guide vanes (3) are made in one piece.
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 7.9. Turbine of a turbocharger, comprising a turbine wheel which can be driven by exhaust gases of an internal combustion engine connected to the turbocharger and having a plurality of rotors, and a nozzle ring which conducts the exhaust gases onto the rotor blades of the turbine wheel.
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. 10. Turbine according to claim 9, characterized in that flow-disturbing elements are arranged in the region of the blades and that at least one slot is introduced in the trailing edge region of the flow guide blades at the level of the flow-disturbing elements.
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