WO2008017681A1 - Axialturbine mit geschlitztem abdeckring - Google Patents

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WO2008017681A1
WO2008017681A1 PCT/EP2007/058202 EP2007058202W WO2008017681A1 WO 2008017681 A1 WO2008017681 A1 WO 2008017681A1 EP 2007058202 W EP2007058202 W EP 2007058202W WO 2008017681 A1 WO2008017681 A1 WO 2008017681A1
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axial
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turbine
blades
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Josef Bättig
Karl-Heinz Rohne
Mathias Richner
William Gizzi
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Abb Turbo Systems Ag
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    • F05D2250/20—Three-dimensional
    • F05D2250/29—Three-dimensional machined; miscellaneous

Definitions

  • the invention relates to the field of exhaust gas turbochargers for supercharged internal combustion engines.
  • the axial turbine comprises a turbine wheel with blades and a cover ring radially surrounding the blades.
  • Exhaust gas turbochargers are used to increase the performance of internal combustion engines, in particular reciprocating engines used.
  • an exhaust gas turbocharger usually has a centrifugal compressor and a radial or axial turbine. From a certain size, it makes sense to use axial turbines for driving the compressor. So that the exhaust gas can not bypass the blades of the axial turbine, they are surrounded by a housing part radially outward. This housing part thus limits the flow channel radially outward in the region of the rotor blades.
  • This housing part may be formed as an integral part of a diffuser arranged downstream of the rotor blades, as an integral part of a radially outer housing wall of a nozzle ring arranged upstream of the rotor blades, or as a separate cover ring.
  • the exhaust gas is heavily polluted with soot, ash and other pollutants. These are deposited over time on certain components of the exhaust gas turbine, in particular on the blades, the cover ring, the guide vanes of the nozzle ring and the diffuser, and reduce the efficiency of the exhaust gas turbine, which reduces the overall performance of the internal combustion engine. For this reason, the soiled components of the exhaust gas turbine must be cleaned at regular intervals. Usually, the Exhaust gas turbine washed with water. To minimize the burden on the contaminated components, turbocharger manufacturers dictate that the load on the internal combustion engine be reduced during the wash cycle. As a result, the temperature of the affected components is already slightly reduced before the washing process, resulting in smaller loads.
  • HFO heavy fuel oil
  • CH 35 11 42 discloses an axial turbine with a turbine wheel with blades and a surrounding the blades radially surrounding cover, wherein the cover ring is divided into a plurality of separate segments.
  • the object of the present invention is to improve the exhaust gas turbine of an exhaust gas turbocharger such that it also withstands cleaning operations under full load without signs of wear on the components of the exhaust gas turbine.
  • the cover ring is radially divided outside the rotor blades of the turbine wheel through slots in a plurality of annular segments which are separated from one another in the circumferential direction.
  • the segments according to the invention are connected via thin ribs with two circumferential rings, which are not thermally influenced by the washing process. Thanks to the segmentation, the cover ring loses its tangential relationship as a ring. Thus, the cover pulls in a sudden cooling, as occurs during cleaning of the exhaust gas turbine, no longer together in the radial direction. Specifically, this means that the cover ring maintains the diameter of the hot state during the cleaning process and only the slots between the individual segments are larger. As a result, a strip of the rotor blades of the turbine wheel can be prevented at the housing parts arranged radially outside.
  • the segments are connected in both axial directions via ribs, each with a circumferential ring.
  • the effect of the expanding slots can be enhanced with rapid cooling, since no temperature gradient in the axial direction results in the area radially outside the blades of the turbine wheel during the cleaning process.
  • the second circumferential ring thus ensures that the segments do not shift in unwanted directions during cooling, and thus collide with the blades, for example, by unintentional intrusion into the flow channel.
  • segments which do not cool strongly may shrink less than those which cool strongly.
  • the individual segments can contract individually in the circumferential direction, without a large and uneven diameter reduction of the Abdeckringzone occurs.
  • the segmentation eliminates the influence of the local shrinkage zones on the circumference or diameter.
  • the slots are advantageously as narrow as possible, so in the microscopic range formed.
  • FIG. 1 is a sectional view of an exhaust gas turbine according to the prior art, with a built-in diffuser cover over the blades of the turbine,
  • FIG. 2 is a sectional view of an exhaust gas turbine with a cover ring formed according to the invention
  • Fig. 3 shows an enlarged detail of the cover ring of FIG. 2
  • Fig. 4 is an isometric view of the invention formed according to the cover ring.
  • Fig. 1 shows a section through the axis of an axial turbine of an exhaust gas turbocharger according to the prior art.
  • the turbine wheel 10 rotatably mounted in a housing includes a hub 11 and a plurality of blades 12 disposed thereon.
  • the exhaust flow needed to drive the turbine is transmitted through a flow channel from the gas inlet housing 42 via the nozzle ring 20 to the blades of the turbine wheel and further through the diffuser 31 led to the gas outlet housing 41.
  • the nozzle ring 20 comprises an inner wall 21 and an outer wall 22 and vanes 23 arranged therebetween.
  • the walls of the nozzle ring as well as the diffuser are housing parts which delimit the flow channel of the exhaust gas.
  • the flow channel in the region of the rotor blades is delimited by a cover ring radially enclosing the rotor blades.
  • This housing part can, as in FIG. 1, be formed as an integral part of the diffuser 31 arranged downstream of the rotor blades.
  • the cover ring may be formed as an integral part of the radially outer housing wall 22 of the nozzle ring or as an independent component.
  • 2 shows a section through the axis of an axial turbine of an exhaust-gas turbocharger with a cover ring 5 designed according to the invention, which delimits the flow channel in the area radially outside the rotor blades 12 of the turbine wheel.
  • the cover ring is shown enlarged in Fig. 3 again.
  • FIG. 5 shows an exemplary embodiment of the covering ring 5 according to the invention with a ring 54 arranged on the inlet side and an outlet-side ring 55 on which the segments 51 are respectively fastened via ribs 52 and 53.
  • the rings 54 and 55 are set back relative to the radially inner surface of the segments in the radial direction, ie separated by at least one housing part of the flow channel in the region of the blades, so that no hot exhaust gas flow and no cold water can reach the rings during the cleaning process during operation.
  • the rings undergo no cooling during the cleaning of the exhaust gas turbine and thus do not contract thermally.
  • the cover ring comprises a plurality of segments 51 which are separated from one another by slits 57 along the circumference and two circumferential rings 54 and 55.
  • the segments are arranged directly radially outside the rotor blades. In this area, the cover ring thus loses its tangential relationship.
  • the cover ring therefore does not contract even in the case of a sudden cooling in the radial direction. Only the slots 57 between the individual segments are larger. As a result, a strip of the turbine can be prevented.
  • the segments 51 are connected via ribs 52 and 53, respectively, to the encircling rings 54 and 55, respectively.
  • the cover ring 5 is advantageously fastened to the diffuser 31 or the gas outlet housing 41, or, as indicated in FIG. 2, clamped between the two parts.
  • the cover ring can be screwed tightly by means of fastening holes 6 arranged in the holes 56.
  • the ribs 52 and 53 are made as thin as possible to the heat conduction or temperature compensation between the segments 51 and the rings 54, respectively. 55 to minimize the washing.
  • the slots 57 between the individual segments 51 are formed as thin as possible. Since the temperature of the segments in operation is likely to be higher than the temperature during manufacture, the slots formed during manufacture close during operation due to the expansion of the segments along the circumference.
  • the slot width should, at least during operation of the exhaust gas turbine, be in the microscopic range of a few micrometers.
  • the inventive exhaust gas turbine can be used instead of driving a compressor as a power turbine, about to drive an electric generator or a mechanical machine.
  • Turbine wheel Turbine hub Turbine rotor blades Nozzle ring Inner wall of the nozzle ring Outer wall of the nozzle ring Guide vanes of the nozzle ring Diffuser Gas outlet housing Gas inlet housing Cover ring Segments of the cover ring Entry side rib Outlet side rib Entry side, circumferential ring Outlet side, circumferential ring Bore Slit Fastener, screw

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
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Abstract

Der Abdeckring (5) radial ausserhalb der Laufschaufeln (12) des Turbinenrades (10) ist durch Schlitze (57) in mehrere, in Umfangsrichtung voneinander getrennte Ringsegmente aufgeteilt. Die einzelnen Segmente (51) sind über Rippen (52,53) mit zwei umlaufenden Ringen (54, 55) verbunden. Der Abdeckring verliert dadurch seinen tangentialen Zusammenhang. Damit zieht sich der Abdeckring bei einer schlagartigen Abkühlung, wie sie beim Turbinenwaschen vorkommt, nicht mehr in radialer Richtung zusammen. Dadurch kann ein Streifen der Lauf schaufeln (12) an dem Abdeckring (5) verhindert werden.

Description

AXIALTURBINE MIT GESCHLITZTEM ABDECKRING
B E S C H R E I B U N G
Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Abgasturbolader für aufgeladene Brennkraftmaschinen.
Sie betrifft die Axialturbine eines Abgasturboladers, wobei die Axialturbine ein Turbinenrad mit Laufschaufeln und einen die Laufschaufeln radial umgebenden Abdeckring umfasst.
Stand der Technik
Abgasturbolader werden zur Leistungssteigerung von Brenn kraftmasch inen, insbesondere Hubkolbenmotoren, eingesetzt. Dabei besitzt ein Abgasturbolader üblicherweise einen Radialverdichter und eine Radial- oder Axialturbine. Ab einer bestimmten Grosse ist es sinnvoll Axialturbinen für den Antrieb des Verdichters einzusetzen. Damit das Abgas die Laufschaufeln der Axialturbine nicht umgehen kann, werden diese von einem Gehäuseteil radial aussen umschlossen. Dieses Gehäuseteil begrenzt somit im Bereich der Laufschaufeln den Strömungskanal radial nach aussen. Dieses Gehäuseteil kann als integraler Bestandteil eines stromab der Laufschaufeln angeordneten Diffusors, als integraler Bestandteil einer radial äusseren Gehäusewand eines stromauf der Laufschaufeln angeordneten Düsenrings oder als separater Abdeckring ausgebildet sein.
Je nach verwendetem Treibstoff, vor allem bei Schweröl (Heavy Fuel OiI, HFO), ist das Abgas stark mit Russ, Asche und anderen Schadstoffen verschmutzt. Diese lagern sich mit der Zeit auf gewissen Bauteilen der Abgasturbine, insbesondere auf den Laufschaufeln, dem Abdeckring, den Leitschaufeln des Düsenrings sowie dem Diffusor, ab und mindern den Wirkungsgrad der Abgasturbine, was insgesamt die Leistung der Brennkraftmaschine reduziert. Aus diesem Grund müssen die verschmutzten Bauteile der Abgasturbine in regelmässigen Abständen gereinigt werden. Üblicherweise wird die Abgasturbine mit Wasser gewaschen. Um die Belastungen für die verschmutzten Bauteil gering zu halten, wird von Turboladerherstellern vorgeschrieben, die Last der Brennkraftmaschine während des Waschvorgangs zu reduzieren. Dadurch wird die Temperatur der betroffenen Bauteile schon vor dem Waschvorgang etwas reduziert was zu kleineren Belastungen führt.
Da die Betreiber der Brennkraftmaschinen immer weniger gewillt sind die Last der Brennkraftmaschine während des Reinigungsvorgangs zu reduzieren, trifft das kühle Wasser auf die sehr heissen Bauteile. Da das Turbinenrad eine massive Scheibe jedoch der Abdeckring im Vergleich dazu nur ein dünnes Rohr ist, kühlt der Abdeckring viel schneller ab als das Turbinenrad. Das führt dazu, dass sich dieser schneller in radialer Richtung zusammenzieht. Aufgrund der engen Toleranzen zwischen den radial äussersten Spitzen der Laufschaufeln des Turbinenrades und dem angrenzenden Abdeckring kommt es deshalb häufig vor, dass die Laufschaufeln des Turbinenrades während des Waschvorgangs am Abdeckring streifen. Dies führt zu Abnutzung sowohl am Abdeckring als auch an den Spitzen der Laufschaufeln, was wiederum den Wirkungsgrad der Turbine mindert und insgesamt die Leistung der Brennkraftmaschine reduziert.
CH 35 11 42 offenbart eine Axialturbine mit einem Turbinenrad mit Laufschaufeln und einem die Laufschaufeln radial umgebenden Abdeckring, wobei der Abdeckring in mehrere voneinander getrennte Segmente unterteilt ist.
Kurze Darstellung der Erfindung
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, die Abgasturbine eines Abgasturboladers derart zu verbessern, dass sie auch Reinigungsvorgängen unter Volllast ohne Abnutzungserscheinungen an den Bauteilen der Abgasturbine standhält.
Dies wird erfindungsgemäss erreicht, indem der Abdeckring radial ausserhalb der Laufschaufeln des Turbinenrades durch Schlitze in mehrere, in Umfangsrichtung voneinander getrennte Ringsegmente aufgeteilt ist. Damit die einzelnen Segmente trotz der Schlitze einen Zusammenhang haben, sind die Segmente erfindungsgemäss über dünne Rippen mit zwei umlaufenden Ringen verbunden, die vom Waschvorgang nicht thermisch nicht beeinflusst werden. Der Abdeckring verliert dank der Segmentierung seinen tangentialen Zusammenhang als Ring. Damit zieht sich der Abdeckring bei einer schlagartigen Abkühlung, wie sie beim Reinigen der Abgasturbine vorkommt, nicht mehr in radialer Richtung zusammen. Konkret bedeutet dies, dass der Abdeckring den Durchmesser des heissen Zustandes während des Reinigungsvorgangs beibehält und lediglich die Schlitze zwischen den einzelnen Segmenten grösser werden. Dadurch kann ein Streifen der Laufschaufeln des Turbinenrades an den radial ausserhalb angeordneten Gehäuseteilen verhindert werden.
Vorteilhafterweise sind die Segmente in beiden axialen Richtungen über Rippen mit jeweils einem umlaufenden Ring verbunden. Dadurch kann der Effekt der sich aufspreizenden Schlitze bei raschem Abkühlen verstärkt werden, da sich in dem Bereich radial ausserhalb der Laufschaufeln des Turbinenrades während des Reinigungsvorgangs kein Temperaturgradient in axialer Richtung ergibt. Der zweite umlaufende Ring sorgt somit dafür, dass sich die Segmente beim Abkühlen nicht in ungewollte Richtungen verschieben, und so beispielsweise durch ungewolltes Hineinragen in den Strömungskanal mit den Laufschaufeln kollidieren.
Erfindungsgemäss können sich somit Segmente, die sich nicht stark abkühlen, weniger stark schrumpfen als solche, die stark abkühlen. Bei einem Waschvorgang können sich die einzelnen Segmente individuell in Umfangsrichtung zusammenziehen, ohne dass eine grosse und ungleichmässige Durchmesserreduktion der Abdeckringzone erfolgt. Durch die Segmentierung wird der Einfluss der lokalen Schrumpfzonen auf den Umfang bzw. Durchmesser aufgehoben.
Um den Wirkungsgrad der Turbine im normalen Betrieb durch die Schlitze zwischen den Segmenten nicht zu beeinträchtigen, sind die Schlitze vorteilhafterweise möglichst schmal, also im mikroskopischen Bereich, ausgebildet.
Weitere Vorteile ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen. Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Folgend sind anhand der Zeichnungen Ausführungsformen des Abgasturboladers mit erfindungsgemäss ausgeführten Turbinenabdeckringen beschrieben. Hierbei zeigt
Fig. 1 ein Schnittbild einer Abgasturbine gemäss dem Stand der Technik, mit einem im Diffusor integrierten Abdeckring über den Laufschaufeln der Turbine,
Fig. 2 ein Schnittbild einer Abgasturbine mit einem erfindungsgemäss ausgebildeten Abdeckring,
Fig. 3 einen vergrössert dargestellten Ausschnitt des Abdeckrings nach Fig. 2, und
Fig. 4 eine isometrische Darstellung des erfindungsgemäss ausgebildeten Abdeckrings.
Weg zur Ausführung der Erfindung
Fig. 1 zeigt einen Schnitt durch die Achse einer Axialturbine eines Abgasturboladers gemäss dem Stand der Technik. Das drehbar in einem Gehäuse gelagerte Turbinenrad 10 umfasst eine Nabe 11 und darauf angeordnet eine Vielzahl von Laufschaufeln 12. Die für den Antrieb der Turbine benötigte Abgasströmung wird durch einen Strömungskanal vom Gaseintrittsgehäuse 42 über den Düsenring 20 auf die Laufschaufeln des Turbinenrades und weiter über den Diffusor 31 zum Gasaustrittsgehäuse 41 geführt. Der Düsenring 20 umfasst eine Innenwand 21 und eine Aussenwand 22 sowie dazwischen angeordnete Leitschaufeln 23. Die Wände des Düsenrings wie auch der Diffusor sind Gehäuseteile, welche den Strömungskanal des Abgases begrenzen.
Damit das Abgas den Laufschaufeln des Turbinenrades nicht ausweichen kann, wird der Strömungskanal im Bereich der Laufschaufeln von einem die Laufschaufeln radial umschliessenden Abdeckring begrenzt. Dieses Gehäuseteil kann, wie in der Fig. 1 , als integraler Bestandteil des stromab der Laufschaufeln angeordneten Diffusors 31 ausgebildet sein. Alternativ kann der Abdeckring als integraler Bestandteil der radial äusseren Gehäusewand 22 des Düsenrings oder als eigenständiges Bauteil ausgebildet sein. Fig. 2 zeigt einen Schnitt durch die Achse einer Axialturbine eines Abgasturboladers mit einem erfindungsgemäss ausgebildeten Abdeckring 5, welcher den Strömungskanal im Bereich radial ausserhalb der Laufschaufeln 12 des Turbinenrades begrenzt. Der Abdeckring ist in Fig. 3 nochmals vergrössert dargestellt.
Fig. 5 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform des erfindungsgemässen Abdeckrings 5 mit einem eintrittsseitig angeordneten Ring 54 und einem austrittsseitigen Ring 55, an welchen jeweils über Rippen 52 bzw. 53 die Segmente 51 befestigt sind. Die Ringe 54 und 55 sind bezüglich der radial inneren Oberfläche der Segmente in radialer Richtung zurückversetzt, also durch mindestens ein Gehäuseteil vom Strömungskanal im Bereich der Laufschaufeln getrennt, so dass im Betrieb keine heisse Abgasströmung und beim Reinigungsvorgang kein kaltes Wasser an die Ringe gelangen kann. Somit erfahren die Ringe keine Abkühlung bei der Reinigung der Abgasturbine und ziehen sich damit auch nicht thermisch bedingt zusammen.
Der Abdeckring umfasst erfindungsgemäss mehrere, entlang dem Umfang durch Schlitze 57 voneinander getrennte Segmente 51 sowie zwei umlaufende Ringe 54 und 55. Die Segmente sind unmittelbar radial ausserhalb der Laufschaufeln angeordnet. In diesem Bereich verliert der Abdeckring somit seinen tangentialen Zusammenhang. Beim Reinigen der Abgasturbinen zieht sich der Abdeckring dadurch auch bei einer schlagartigen Abkühlung in radialer Richtung nicht zusammen. Lediglich die Schlitze 57 zwischen den einzelnen Segmenten werden grösser. Dadurch kann ein Streifen der Turbine verhindert werden. Auch bezüglich der unterschiedlichen Abkühlung entlang dem Umfang des Abdeckrings ergeben sich Vorteile: Segmente, die sich nicht stark abkühlen, schrumpfen weniger stark, solche, die stark abkühlen, schrumpfen stärker in Umfangsrichtung.
Damit die einzelnen Segmente trotz der Schlitze einen Zusammenhang haben sind die Segmente 51 über Rippen 52 bzw. 53 mit den umlaufenden Ringen 54 bzw. 55 verbunden. Der Abdeckring 5 wird vorteilhafterweise an dem Diffusor 31 oder dem Gasaustrittsgehäuse 41 festgemacht, oder wie in der Fig. 2 angedeutet, zwischen den beiden Teilen festgeklemmt. Zusätzlich kann der Abdeckring mittels in dafür vorgesehenen Bohrungen 56 angeordneten Befestigungsmitteln 6 festgeschraubt werden. Die Rippen 52 bzw. 53 werden möglichst dünn ausgeführt um die Wärmeleitung bzw. den Temperaturausgleich zwischen den Segmenten 51 und den Ringen 54 resp. 55 beim Waschen möglichst gering zu halten.
Um den Wirkungsgrad der Abgasturbine im normalen Betrieb durch den segmentierten Abdeckring nicht zu beeinträchtigen, sind die Schlitze 57 zwischen den einzelnen Segmenten 51 so dünn wie möglich auszubilden. Da die Temperatur der Segmente im Betrieb gegenüber der Temperatur bei der Herstellung in der Regel höher sein dürfte, schliessen sich die bei der Herstellung entstehenden Schlitze im Betrieb aufgrund der Ausdehnung der Segmente entlang dem Umfang. Die Schlitzbreite sollte, zumindest im Betrieb der Abgasturbine, im mikroskopischen Bereich von einigen wenigen Mikrometern liegen.
Die erfindungsgemässe Abgasturbine kann anstatt zum Antreiben eines Verdichters auch als Nutzturbine eingesetzt werden, etwa um einen Elektro-Generator oder eine mechanische Maschine anzutreiben.
Bezugszeichenliste Turbinenrad Turbinenradnabe Laufschaufeln des Turbinenrades Düsenring Innenwand des Düsenrings Aussenwand des Düsenrings Leitschaufeln des Düsenrings Diffusor Gasaustrittsgehäuse Gaseintrittsgehäuse Abdeckring Segmente des Abdeckrings Eintrittsseitige Rippe Austrittsseitige Rippe Eintrittsseitiger, umlaufender Ring Austrittsseitiger, umlaufender Ring Bohrung Schlitz Befestigungsmittel, Schraube

Claims

PAT E N TA N S P R Ü C H E
1. Axialturbine, umfassend ein Turbinenrad (11 ) mit Laufschaufeln (12) und einem die Laufschaufeln radial umgebenden Abdeckring (5), wobei der Abdeckring (5) in mehrere, durch Schlitze (57) entlang dem Umfang voneinander getrennte Segmente (51 ) unterteilt ist, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Segment (51 ) über jeweils zwei Rippen (52, 53) mit zwei umlaufenden Ringen (54, 55) verbunden ist.
2. Axialturbine gemäss Anspruch 1 , wobei Schlitze (57) im Abdeckring (5) in axialer Richtung durchgehend sind, so dass die in Umfangsrichtung benachbart zueinander angeordneten Segmente (51 ) in Umfangsrichtung vollständig voneinander getrennt sind.
3. Axialturbine gemäss einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei mindestens einer der umlaufenden Ringe (54, 55) in axialer Richtung vom Abdeckring beabstandet angeordnet ist.
4. Axialturbine gemäss einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die umlaufenden Ringe (54, 55) in axialer Richtung auf je einer Seite vom Abdeckring beabstandet angeordnet sind.
5. Axialturbine gemäss einem der Ansprüche 3 oder 4, wobei sich die Rippen (52) zwischen den Segmenten (51 ) und mindestens einem der umlaufenden Ringe (54) in axialer Richtung erstrecken.
6. Axialturbine gemäss einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei sich die Rippen (53) zwischen den Segmenten (51 ) und mindestens einem der umlaufenden Ringe (55) sich in axialer und in radialer Richtung erstrecken.
7. Axialturbine gemäss einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei mindestens einer der umlaufenden Ringe (54, 55) durch ein Bauteil (22, 31 ), welches den Kanal der Strömung auf die Laufschaufeln (12) des Turbinenrades begrenzt, vom Innern dieses Strömungskanals abgeschirmt ist.
8. Axialturbine gemäss einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Schlitze (57) eine Schlitzdicke im Bereich von einigen wenigen Mikrometern aufweisen.
9. Abgasturbolader, mit einer Axialturbine gemäss einem der vorangehenden Ansprüche.
PCT/EP2007/058202 2006-08-07 2007-08-07 Axialturbine mit geschlitztem abdeckring WO2008017681A1 (de)

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