EP2083149A1 - Abgasturbine - Google Patents

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Publication number
EP2083149A1
EP2083149A1 EP08150714A EP08150714A EP2083149A1 EP 2083149 A1 EP2083149 A1 EP 2083149A1 EP 08150714 A EP08150714 A EP 08150714A EP 08150714 A EP08150714 A EP 08150714A EP 2083149 A1 EP2083149 A1 EP 2083149A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
exhaust gas
housing
gas turbine
turbine
gap
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Withdrawn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
EP08150714A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Thorsten Bosse
Dirk Hertel
Joel Schlienger
Peter Neuenschwander
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
Priority to EP08150714A priority Critical patent/EP2083149A1/de
Priority to PCT/EP2009/050893 priority patent/WO2009095386A1/de
Publication of EP2083149A1 publication Critical patent/EP2083149A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • 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
    • F01D11/00—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages
    • F01D11/08—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages for sealing space between rotor blade tips and stator
    • F01D11/10—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages for sealing space between rotor blade tips and stator using sealing fluid, e.g. steam
    • 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
    • F05D2260/60—Fluid transfer
    • F05D2260/607—Preventing clogging or obstruction of flow paths by dirt, dust, or foreign particles

Definitions

  • the invention relates to the field of turbomachines, in particular the turbocharger for supercharged internal combustion engines. It relates to an arrangement in the turbine area for preventing the build-up of a dirt layer in the region between the tips of the turbine blades and the counter-contour of the flow channel.
  • Exhaust gas turbochargers are used to increase the performance of internal combustion engines (reciprocating engines).
  • An exhaust gas turbocharger consists of an exhaust gas turbine in the exhaust gas stream of the internal combustion engine and a compressor in the intake tract of the internal combustion engine.
  • the turbine wheel of the exhaust gas turbine is set in rotation by the exhaust gas flow of the engine and drives the impeller of the compressor via a shaft.
  • the compressor increases the pressure in the intake tract of the internal combustion engine, so that when sucking a larger amount of air enters the combustion chambers.
  • Exhaust gas turbines are also used as power turbines. In this case, they do not drive the compressor of an exhaust gas turbocharger, but a generator or via a clutch another, mechanical utility part.
  • Impellers of exhaust gas turbines - or of other thermal turbomachines, such as steam or gas turbines - have a plurality of blades.
  • the blades often have at their radially outer, free ends shrouds - in technical language called "Shroud" - on.
  • a shroud is composed of individual segments, which are integrally connected to one blade.
  • dirt layers can build up on the surfaces of the turbine, resulting in Operating problems - for example. Schaufelspitzenverschleiss, thereby loss of efficiency or a stuck hanging of the turbine wheel at start due to the dirt deposits in the blade tips - the exhaust gas turbocharger can lead.
  • the pollution is particularly pronounced when the engine is operated with heavy fuel oil.
  • the currently most common method of counteracting the build-up of the dirt layer is the regular injection of a cleaning substance, such as water, in the exhaust duct before the turbine blading.
  • a cleaning substance such as water
  • WO 2006/134222 discloses a generic exhaust gas turbine with a supply in the region of the blade tips to prevent the buildup of a dirt layer. It is possible to supply liquids or gaseous substances under elevated pressure.
  • the object of the present invention is to make the area between the tips of the turbine blades and the counter-contour of the flow channel such that a structure of a dirt layer can be prevented. According to the invention, this is achieved by means for blowing in sealing air into the region upstream of the tips of the moving blades. In this case, sealing air is introduced into the area between shroud segments at the tips of the turbine blades and the mating contour of the flow channel by passages in the housing parts targeted. A barrier air passage guides the barrier air from entering the turbine housing until it exits into the main flow of exhaust gas.
  • the inventive, geometric design of the sealing air duct in the region between the tips of Turbine blades and the stationary housing parts causes even with temporally and / or spatially uneven distribution of the exhaust gas flow a temporally and over the circumference of the turbine uniform blocking effect is achieved with respect to the over the shroud penetrating exhaust gases.
  • This aspect is therefore important, since the exhaust gas flow in the turbine can firstly strongly pulsate due to the combustion process in the internal combustion engine and secondly can be distributed unevenly over the circumference due to the design of the gas inlet housing of the exhaust gas turbocharger. The latter is the case in particular for multi-flow gas inlet housings.
  • Fig. 1 shows an axial turbine of an exhaust gas turbocharger.
  • the turbine has a turbine wheel 1 with a multiplicity of rotor blades 2.
  • a nozzle ring 3 in the flow direction in front of the blades 2 of the turbine wheel.
  • the nozzle ring comprises a plurality of stator blades 31.
  • the stator blades 31 of the nozzle ring 3 are held together by two housing rings 32.
  • the guide vanes 31 may also be connected only to an outer or an inner housing ring.
  • Radially against the outside of the flow channel 6 is limited by a turbine housing 4.
  • the turbine housing is generally designed in several parts to allow access to the turbine wheel by removing one or the other housing part. As the more detailed design Fig.
  • the individual blades 2 of the exhaust gas turbine at their radially outer, free ends each have a shroud segment 22 on.
  • the individual shroud segments 22 line up to form a circumferential shroud.
  • the shroud segments Over the width of the blade tips, ie in the axial direction, the shroud segments can cover the entire blade, or leave a portion of the leading edge uncovered (partial shroud).
  • the rotor blades 2 have radially outside the shroud segments 22 one or more sealing webs 21, which are composed analogously to the shroud to form a circumferential sealing web.
  • the mating contour of the flow channel 6 is formed of a plurality of housing parts 41, 42 and 43.
  • the housing parts can be designed around the flow channel 6. Due to the close tolerance of the radial play between the tips of the turbine blades and the housing, the housing region can be directly radially outside the tips of the turbine blades be designed as a separate cover ring.
  • the arrangement according to the invention comprises a sealing air channel which guides sealing air through the turbine housing into the main flow of the exhaust gas upstream of the shroud segments 22 at the tips of the turbine blades 2.
  • the blocking air channel shown in the figures in this case comprises an outer supply ring channel 51, which is embedded in the turbine housing and enclosing the flow channel 6.
  • a plurality of radially inwardly directed passages 52 exit, through which the sealing air introduced into the supply ring channel 51 escapes in the direction of the flow channel 6.
  • the flow channel 6 annularly enclosing mixing chamber 53 evenly distributed over the circumference evenly.
  • a blocking air mass flow 54 which opens upstream of the shroud segments 22 at the tips of the turbine blades in the main flow of the exhaust gas, as well as a radial gap mass flow 55, which through the radial gap outside the shroud 22 and any sealing webs 21 in the diffuser enters downstream of the turbine wheel.
  • Fig. 3 shows how for shrouds 22 with one or more radial sealing webs 21 of the axial gap 56 between the sealing web 21 and housing or nozzle ring can be performed.
  • This embodiment is also suitable for so-called partial shrouds (partial shrouds), ie for shrouds, which cover the turbine blade only over part of the axial width.
  • partial shrouds partial shrouds
  • the seal of the radial gap can optionally be designed as a labyrinth.
  • the radial sealing webs of the labyrinth can be executed at different radial heights (stepped labyrinth).
  • the radial sealing webs 21 can also increase the rigidity of the shroud.
  • the web height within a shroud segment over the circumference in such a way that the rigidity in the middle, high-load area of the shroud is high and deeper in the edge region.
  • a desired swirl in the annular mixing chamber can be caused.
  • the blocking air feed can be effected by passages 52 arranged radially-tangentially, that is to say at an angle to the radial direction, which connect the supply-ring channel 51 to the mixing chamber 53.
  • the turbine housing can be designed with an axial separation between the housing parts 41 and 42 in the area of the blocking air injection.
  • the counterpart of the housing, in which the annular mixing chamber is integrated can either be integrated in the housing or nozzle ring, or be designed as a separate, annular housing part 43.
  • the mixing chamber 53 can be divided into segments in the circumferential direction by ribs. The circumferential position of the ribs may correspond to the separation of the gas inlet housing.
  • the supply ring channel 51 has, apart from its main function of the sealing air supply, the function of the blocking air preheating. Due to the large volume in relation to the flow of purging air mass flow, the sealing air is heated by the hot housing parts. Thereby, the thermally induced by the cold sealing air stress of the housing parts can be reduced to the sealing air duct and the turbine blade.
  • Another advantage of the inventive arrangement is the cooling of the turbine housing in the region of the tips of the turbine blades. The arrangement is designed so that the temperature of this housing part is cooled from the outside through the supply ring channel 51, laterally through the mixing chamber 53 and in the flow channel 6 through the radial gap mass flow 55.
  • the cooling of the housing area brings advantages in the maintenance of an optimum in all operating conditions radial gap between the blade and the housing.
  • Another decisive advantage is that lowering the surface temperature of the housing drastically reduces the adhesion tendency of the dirt layer.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Supercharger (AREA)

Abstract

Ein Sperrluftkanal führt Sperrluft (54) vom Eintritt in das Turbinengehäuse bis zum Austritt in die Hauptströmung des Abgases. Die geometrische Ausgestaltung des Sperrluftkanals (56) im Bereich zwischen der Deckband-Segmente (22) an den Spitzen der Turbinenlaufschaufeln (2) und den stehenden Gehäuseteilen (42) führt dazu, dass selbst bei zeitlich und/oder räumlich ungleichmässiger Verteilung der Abgasströmung eine zeitlich und über den Umfang der Turbine gleichmässige Sperrwirkung gegenüber den über das Deckband eindringenden Abgasen erzielt wird.

Description

    Technisches Gebiet
  • Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Strömungsmaschinen, insbesondere der Abgasturbolader für aufgeladene Brennkraftmaschinen.
    Sie betrifft eine Anordnung im Turbinenbereich zur Verhinderung des Aufbaus einer Schmutzschicht im Bereich zwischen den Spitzen der Turbinenlaufschaufeln und der Gegenkontur des Strömungskanals.
    • Stand der Technik
  • Abgasturbolader werden zur Leistungssteigerung von Brennkraftmaschinen (Hubkolbenmotoren) eingesetzt. Ein Abgasturbolader besteht aus einer Abgasturbine im Abgasstrom der Brennkraftmaschine und einem Verdichter im Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine. Das Turbinenrad der Abgasturbine wird vom Abgasstrom des Motors in Rotation versetzt und treibt über eine Welle das Laufrad des Verdichters an. Der Verdichter erhöht den Druck im Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine, so dass beim Ansaugen eine größere Menge Luft in die Brennkammern gelangt. Abgasturbinen werden auch als Nutzturbinen eingesetzt. In diesem Fall treiben sie nicht den Verdichter eines Abgasturboladers an, sondern einen Generator oder über eine Kupplung ein anderes, mechanisches Nutzteil.
    Laufräder von Abgasturbinen - oder von anderen thermischen Strömungsmaschinen, wie etwa Dampf- oder Gasturbinen - weisen eine Vielzahl von Laufschaufeln auf. Die Laufschaufeln weisen an ihren radial äusseren, freien Enden häufig Deckbänder - in der Fachsprache "Shroud" genannt - auf. Ein Deckband setzt sich aus einzelnen Segmenten zusammen, die mit jeweils einer Laufschaufel integral verbunden sind.
    Im Betrieb des Abgasturboladers können sich unter bestimmten Umständen Schmutzschichten an den Oberflächen der Turbine aufbauen, was zu Betriebsproblemen - bspw. Schaufelspitzenverschleiss, dadurch Wirkungsgradverlust oder ein Festhängen des Turbinenrades beim Start aufgrund der Schmutzablagerungen im Bereich der Schaufelspitzen - des Abgasturboladers führen kann. Die Verschmutzung ist besonders ausgeprägt, wenn die Brennkraftmaschine mit Schweröl als Kraftstoff betrieben wird. Die hohen Oberflächentemperaturen an den Bauteilen der Abgasturbine führen dabei zu besonders harten Schmutzschichten. Besonders problematisch für den Betrieb des Abgasturboladers sind Schmutzschichten im Bereich zwischen den Spitzen der Turbinenlaufschaufeln und der Gegenkontur des Strömungskanals.
    Die heute gängigste Methode dem Aufbau der Schmutzschicht entgegenzuwirken, ist das regelmässige Einspritzen einer reinigenden Substanz, wie zum Beispiel Wasser, in den Abgaskanal vor der Turbinenbeschaufelung. Die Reinigungswirkung im Bereich der Schaufelspitze ist aber oft eingeschränkt, da die Reinigungssubstanz in diesen Bereich kaum vordringt, vorher bereits verdampft oder durch den Shroud gänzlich abgeblockt wird.
    WO 2006/134222 offenbart eine gattungsgemässe Abgasturbine mit einer Zuführung im Bereich der Laufschaufelspitzen zur Verhinderung des Aufbaus einer Schmutzschicht. Zugeführt werden können Flüssigkeiten oder gasförmige Stoffe unter erhöhtem Druck.
    • Kurze Darstellung der Erfindung
  • Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, den Bereich zwischen den Spitzen der Turbinenlaufschaufeln und der Gegenkontur des Strömungskanals derart zu gestalten, dass ein Aufbau einer Schmutzschicht verhindert werden kann.
    Erfindungsgemäss wird dies durch Mittel zur Einblasung von Sperrluft in den Bereich stromauf der Spitzen der Laufschaufeln erreicht. Dabei wird durch Durchführungen in den Gehäuseteilen gezielt Sperrluft in den Bereich zwischen Deckband-Segmenten an den Spitzen der Turbinenlaufschaufeln und der Gegenkontur des Strömungskanals eingeführt.
    Ein Sperrluftkanal führt die Sperrluft vom Eintritt in das Turbinengehäuse bis zum Austritt in die Hauptströmung des Abgases. Die erfindungsgemässe, geometrische Ausgestaltung des Sperrluftkanals im Bereich zwischen den Spitzen der Turbinenlaufschaufeln und den stehenden Gehäuseteilen führt dazu, dass selbst bei zeitlich und/oder räumlich ungleichmässiger Verteilung der Abgasströmung eine zeitlich und über den Umfang der Turbine gleichmässige Sperrwirkung gegenüber den über das Deckband eindringenden Abgasen erzielt wird.
    Dieser Aspekt ist daher von Bedeutung, da die Abgasströmung in der Turbine erstens aufgrund des Verbrennungsprozesses in der Brennkraftmaschine stark pulsieren kann und zweitens aufgrund der Gestaltung des Gaseintrittsgehäuses des Abgasturboladers über den Umfang ungleichmässig verteilt sein kann. Letzteres ist insbesondere bei mehrflutigen Gaseintrittsgehäusen der Fall.
    • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Nachfolgend werden Ausführungsformen der Erfindung anhand von Zeichnungen detailliert erläutert. Hierbei zeigt
    • Fig. 1
    einen Schnitt durch eine Abgasturbine mit einer erfindungsgemässen Anordnung im Bereich der Spitzen der Turbinenlaufschaufeln,
    Fig. 2
    die erfindungsgemässe Anordnung im Bereich der Spitzen der Turbinenlaufschaufeln und der Gegenkontur des Strömungskanals in einer ersten Ausführungsform mit einem als Axialspalt bis in den Strömungskanal geführten Sperrluftkanal,
    Fig. 3
    die erfindungsgemässe Anordnung im Bereich der Spitzen der Turbinenlaufschaufeln und der Gegenkontur des Strömungskanals in einer zweiten Ausführungsform mit einem radial ausserhalb des Strömungskanals in einem Axialspalt endenden Sperrluftkanal, und
    Fig. 3
    die erfindungsgemässe Anordnung im Bereich der Spitzen der Turbinenlaufschaufeln und der Gegenkontur des Strömungskanals in einer dritten Ausführungsform mit einem radial ausserhalb des Strömungskanals in einem Radialspalt endenden Sperrluftkanal.
    Weg zur Ausführung der Erfindung
  • Fig. 1 zeigt eine Axialturbine eines Abgasturboladers. Wie eingangs beschrieben, weist die Turbine ein Turbinenrad 1 mit einer Vielzahl von Laufschaufeln 2 auf. Im Strömungskanal 6 ist in Strömungsrichtung vor den Laufschaufeln 2 des Turbinenrades ein Düsenring 3 angeordnet. Der Düsenring umfasst mehrere Leitschaufeln 31. Die Leitschaufeln 31 des Düsenrings 3 sind mit zwei Gehäuseringen 32 zusammengehalten. Anstelle von zwei Gehäuseringen 32 können die Leitschaufeln 31 auch nur mit einem äusseren, bzw. einem inneren Gehäusering verbunden sein. Radial gegen aussen ist der Strömungskanal 6 durch ein Turbinengehäuse 4 begrenzt. Das Turbinengehäuse ist in der Regel mehrteilig ausgebildet, um durch Entfernen des einen oder anderen Gehäuseteils den Zugang zum Turbinenrad zu ermöglichen.
    Wie der detaillierter gestalteten Fig. 2 zu entnehmen ist, weisen die einzelnen Laufschaufeln 2 der Abgasturbine an ihren radial äusseren, freien Enden jeweils ein Deckband-Segment 22 auf. Im montierten Zustand reihen sich die einzelnen Deckband-Segmente 22 zu einem umlaufenden Deckband zusammen. Über die Breite der Laufschaufelspitzen, also in axialer Richtung, können die Deckbandsegmente die gesamte Laufschaufel abdecken, oder aber eine Bereich der Eintrittskante unbedeckt lassen (partial shroud). Optional weisen die Laufschaufeln 2 radial ausserhalb der Deckband-Segmente 22 einen oder mehrere Dichtstege 21 auf, welche analog dem Deckband zu einem umlaufenden Dichtsteg zusammengesetzt sind. Radial ausserhalb der Laufschaufeln ist die Gegenkontur des Strömungskanals 6 aus mehreren Gehäuseteilen 41, 42 und 43 gebildet. Diese Gehäuseteile können optional auch einteilig ausgebildet sein, je nach Bauart der Abgasturbine ergibt sich die Gestaltung der Gehäuseteile um den Strömungskanal 6. Aufgrund der engen Tolerierung des Radialspiels zwischen den Spitzen der Turbinenlaufschaufeln und dem Gehäuse, kann der Gehäusebereich unmittelbar radial ausserhalb der Spitzen der Turbinenlaufschaufeln als separater Abdeckring ausgeführt sein.
    Die erfindungsgemässe Anordnung umfasst einen Sperrluftkanal, welcher Sperrluft durch das Turbinengehäuse in die Hauptströmung des Abgases stromauf der Deckband-Segmente 22 an den Spitzen der Turbinenlaufschaufeln 2 führt. Der in den Fig. dargestellte Sperrluftkanal umfasst dabei einen äusseren Versorgungsringkanal 51, welcher in das Turbinengehäuse eingebetet ist und der den Strömungskanal 6 umschliesst. Vom Versorgungsringkanal 51 gehen mehrere, radial nach innen gerichtete Durchführungen 52 aus, durch welche die in den Versorgungsringkanal 51 eingebrachte Sperrluft in Richtung des Strömungskanals 6 entweicht. Bevor die Sperrluft den Strömungskanal 6 im Bereich der Spitzen der Turbinenlaufschaufeln erreicht, wird sie in einer, den Strömungskanal 6 ringförmig umschliessenden Mischkammer 53 nochmals über den Umfang gleichmässig verteilt. Von der ringförmigen Mischkammer 53 aus geht sowohl ein Sperrluftmassenstrom 54, welcher stromauf der Deckband-Segmente 22 an den Spitzen der Turbinenlaufschaufeln in die Hauptströmung des Abgases mündet, als auch ein Radialspaltmassenstrom 55, welcher durch den Radialspalt ausserhalb des Deckbandes 22 und allfälliger Dichtstege 21 in den Diffusor stromabwärts des Turbinenrades eintritt.
    Bei Deckbändern, welche die Turbinenlaufschaufeln über die gesamte Tiefe überdecken, kann die engste und damit die den Abgasstrom sperrende Stelle des Sperrluftkanals in Form eines Axialspalts 56 zwischen den Deckband-Segmenten 22 und dem Turbinengehäuseteil 42 bzw. dem Gehäusering 32 des Düsenrings unmittelbar vor der Eintrittskante der Laufschaufel angeordnet sein, wie dies in Fig. 2 dargestellt ist. Ein Vorteil dieser Konstruktion mit einem solchen Axialspalt 56 ist die Vermeidung jeglicher Kavitäten auf der Abgasseite, in denen es zu Verwirbelung des Abgases und allfälligen Schmutzablagerung kommen könnte. Ein weiterer Vorteil ist, dass der Axialspalt 56 eng toleriert und der Sperrluftmassenstrom damit gering gehalten werden kann, weil er gegenüber den radialen Verformungen der Turbine und des Gehäuses unempfindlich ist. Die radialen Verformungen sind aufgrund der Fliehkraftbelastung der Turbine sowie der grossen thermischen Dehnungen bei thermischen Strömungsmaschinen besonders ausgeprägt. Diese Konstruktion kann für Deckbänder 22 mit oder ohne radiale Dichtstege 21 ausgeführt werden.
    Fig. 3 zeigt, wie für Deckbänder 22 mit einem oder mehreren radialen Dichtstegen 21 der Axialspalt 56 zwischen Dichtsteg 21 und Gehäuse bzw. Düsenring ausgeführt werden kann. Diese Ausführung ist auch für so genannte teilweise Deckbänder (partial shroud) geeignet, also für Deckbänder, welche die Turbinenlaufschaufel nur über einen Teil der axialen Breite überdecken.
    Dieselbe Ausführung kann gemäss Fig. 4 auch mit einem Radialspalt 57 zwischen dem Deckband 22 und dem Gehäuseteil 42 bzw. dem Gehäusering 32 des Düsenrings anstelle eines Axialspalts als engste Stelle des Sperrluftkanals realisiert werden. Diese Ausführung ist bei Turbinen mit grossen axialen Verschiebungen der rotierenden Laufschaufeln gegenüber dem Gehäuse zur Gewährleistung eines im Betrieb möglichst konstanten Spaltmasses von Vorteil. In diesem Fall ist das Deckband 22 und das Gehäuseteil 42 bzw. der Gehäusering 32 des Düsenrings derart ausgeführt, dass eine ausreichende axiale Verschiebbarkeit der verschiedenen Bauteile zueinander gewährleistet werden kann.
    Der Radialspaltmassenstrom 55 hat einen ausgeprägten Einfluss auf die Wirkung des Diffusors und damit auf das thermodynamische Verhalten der Turbine. Durch Justierung der Spaltgeometrien über und vor dem Deckband kann eine für die Diffusorwirkung optimale Massenstromverteilung gewählt werden. Zur Vermeidung des Anstreifens der Turbinenlaufschaufeln an den radial ausserhalb angeordneten Gehäuseteilen müssen Mindestbreiten der Radialspalte eingehalten werden. Um die erforderliche Dichtwirkung zu erreichen, kann die Dichtung des Radialspaltes optional als Labyrinth ausgeführt sein. Die radialen Dichtstege des Labyrinths können dabei in unterschiedlicher radialer Höhe ausgeführt werden (gestuftes Labyrinth). Neben der Dichtwirkung können die radialen Dichtstege 21 auch die Steifigkeit des Deckbandes erhöhen. Aus mechanischen Gründen kann es vorteilhaft sein, die Steghöhe innerhalb eines Deckband-Segmentes über den Umfang in der Art zu variieren, dass die Steifigkeit im mittleren, hochbelasteten Bereich des Deckbandes hoch und im Randbereich tiefer ist.
    Zur Optimierung der Diffusorwirkung kann der Radialspaltmassenstrom 55 mit Drall, d.h. mit einer Umfangsgeschwindigkeitskomponente beaufschlagt werden. Durch eine drallbehaftete Zuführung der Sperrluft in die Mischkammer kann ein erwünschter Drall in der ringförmigen Mischkammer verursacht werden. Beispielsweise kann die Sperrluftzuführung durch radial-tangential, also in einem Winkel zur radialen Richtung, angeordnete Durchführungen 52 erfolgen, welche den Versorgungsringkanal 51 mit der Mischkammer 53 verbinden.
    Erfindungsgemäss kann das Turbinengehäuse mit einer axialen Trennung zwischen den Gehäuseteilen 41 und 42 im Bereich der Sperrlufteinblasung ausgeführt sein. Das Gegenstück des Gehäuses, in dem die ringförmige Mischkammer integriert ist, kann entweder im Gehäuse oder Düsenring integriert, oder als ein separates, ringförmiges Gehäuseteil 43 ausgeführt werden.
    Um bei Abgasturboladern mit mehrflutigen Gaseintrittsgehäusen eine Ausgleichsströmung der Sperrluft in Umfangsrichtung und einen damit verbundenen lokalen Heissgaseinbruch in die Kavität vor dem Deckband-Segment 22 zu verhindern, kann die Mischkammer 53 in Umfangrichtung durch Rippen in Segmente unterteilt werden. Die Umfangsposition der Rippen kann dabei der Trennung des Gaseintrittsgehäuses entsprechen.
    Der Versorgungsringkanal 51 hat, abgesehen von seiner Hauptfunktion der Sperrluftversorgung, die Funktion der Sperrluftvorwärmung. Durch das im Verhältnis zum durchfliessenden Sperrluftmassenstrom grosse Volumen wird die Sperrluft durch die heissen Gehäuseteile aufgeheizt. Dadurch kann die durch die kalte Sperrluft thermisch induzierte Beanspruchung der Gehäuseteile um den Sperrluftkanal und der Turbinenlaufschaufel reduziert werden.
    Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemässen Anordnung besteht in der Kühlung des Turbinengehäuses im Bereich der Spitzen der Turbinenlaufschaufeln. Die Anordnung ist so ausgeführt, dass die Temperatur dieser Gehäusepartie von aussen durch den Versorgungsringkanal 51, seitlich durch die Mischkammer 53 und im Strömungskanal 6 durch den Radialspaltmassenstrom 55 gekühlt wird. Die Kühlung des Gehäusebereiches bringt Vorteile bei der Einhaltung eines in allen Betriebszuständen möglichst optimalen Radialspaltes zwischen Laufschaufel und Gehäuse. Ein weiterer, entscheidender Vorteil ist, dass durch Absenkung der Oberflächentemperatur des Gehäuses die Haftneigung der Schmutzschicht drastisch reduziert wird.
    • Bezugszeichenliste
    • 1
    Turbinenrad
    2
    Laufschaufeln der Abgasturbine
    21
    Dichtsteg
    22
    Deckband-Segment
    3
    Düsenring
    31
    Leitschaufeln des Düsenrings
    32
    Gehäusering des Düsenrings
    4
    Turbinengehäuse
    41-43
    Turbinengehäuseteile
    44
    Rücksprung der Gehäusewand
    45
    Vorsprung der Gehäusewand
    51
    Versorgungsringkanal
    52
    Durchführungen zur Luftzufuhr
    53
    Mischkammer
    54
    Sperrluftmassenstrom
    55
    Radialspaltmassenstrom
    56
    Axialspalt
    57
    Radialspalt
    6
    Strömungskanal

Claims (9)

  1. Abgasturbine, umfassend ein Abgasturbinengehäuse sowie ein Turbinenrad (1) mit einer Vielzahl von Laufschaufeln (2) wobei das Abgasturbinengehäuse (4, 41, 42, 43) im Bereich der Laufschaufeln (2) einen Strömungskanal (6) begrenzt und die Laufschaufeln (2) an den radial äusseren Enden ein Deckband-Segment (22) aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass zur Einblasung von Sperrluft (54) zwischen den Deckband-Segmenten (22) und dem Turbinengehäuse (4, 42) ein Spalt (56, 57) vorhanden ist, und der Spalt (56, 57) einen mit Sperrluft beaufschlagten Versorgungsringkanal (51) mit dem Strömungskanal (6) verbindet.
  2. Abgasturbine nach Anspruch 1, wobei zwischen dem Versorgungsringkanal (51) und dem Strömungskanal (6) eine ringförmige Mischkammer (53) vorgesehen ist.
  3. Abgasturbine nach Anspruch 2, wobei zwischen dem Versorgungsringkanal (51) und der ringförmigen Mischkammer (53) über den Umfang verteilte Durchführungen (52) in das Turbinengehäuse (4, 43) eingelassen sind.
  4. Abgasturbine nach Anspruch 3, wobei die Durchführungen (52) in einem Winkel zur radialen Richtung verlaufend angeordnet sind, so dass durch die Durchführung strömende Sperrluft mit einem Drall beaufschlagt werden kann.
  5. Abgasturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Spalt als Radialspalt (57) ausgebildet ist und radial zwischen den Deckband-Segmenten (22) und dem Turbinengehäuse (4, 42) seine engste Stelle aufweist.
  6. Abgasturbine nach Anspruch 5, umfassend einen Düsenring (3) mit einem Gehäusering (32), wobei der Radialspalt (57) zwischen dem Gehäusering (32) und den Deckband-Segmenten (22) angeordnet ist.
  7. Abgasturbine nach Anspruch 1, wobei die Laufschaufeln (2) radial ausserhalb des Deckband-Segments (22) mindestens einen radial nach aussen vorstehenden Dichtsteg (22) aufweisen, und zur Einblasung von Sperrluft (54) zwischen den Dichtstegen (22) und dem Turbinengehäuse (4,42) ein Axialspalt (56) vorhanden ist, und dass der Axialspalt (56, 57) axial zwischen den Dichtstegen und dem Turbinengehäuse (4, 42) seine engste Stelle aufweist.
  8. Abgasturbine nach Anspruch 7, umfassend einen Düsenring (3) mit einem Gehäusering (32), wobei der Spalt (56, 57) zwischen dem Gehäusering (32) und den Deckband-Segmenten (22) angeordnet ist.
  9. Abgasturbolader, umfassend eine Abgasturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 8.
EP08150714A 2008-01-28 2008-01-28 Abgasturbine Withdrawn EP2083149A1 (de)

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