WO2008023068A2 - Turbinengehäuse - Google Patents

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Marco Di Pietro
Markus Städeli
Peter Neuenschwander
Bent Phillipsen
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    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2250/00—Geometry
    • F05D2250/70—Shape

Definitions

  • the invention relates to the field of exhaust gas turbochargers for supercharged internal combustion engines.
  • It relates to the housing of an axial turbine of an exhaust gas turbocharger and a method for producing such a turbine housing.
  • Exhaust gas turbochargers are used to increase the performance of internal combustion engines, in particular reciprocating engines.
  • an exhaust gas turbocharger usually has a centrifugal compressor and a radial or axial turbine.
  • the turbine side is configured according to the requirements of the internal combustion engine.
  • turbine blades with different blade heights can be provided, for example, for a given turbine size, that is to say a specific turbine wheel size and a corresponding turbine housing.
  • shorter or longer blades are mounted on the blade carrier.
  • turbine blades with deviating blade height are to be retrofitted into an existing exhaust gas turbine later.
  • Gas outlet housing of axial turbines such as known from DE 101 37 899 C1 are usually formed as a collecting space, which has on one side in an approximately semicircular cross section, and on the opposite side a round or rectangular flange for connection to a discharge line includes.
  • the object of the invention is to improve the outflow of an axial turbine with simple means fluidically.
  • the housing in the outflow region, from the diffuser to the gas outlet housing is designed as a component with a combined inner and outer flow channel.
  • the integration of the diffuser in the gas outlet housing a housing is created, which is aerodynamically optimized and ensures maximum flow delay with minimal pressure loss.
  • the combined inner and outer flow channel is delimited by the gas outlet housing and a diffuser wall, wherein the point of intersection between the gas outlet housing and the diffuser wall according to the invention is along the circumference at different radii. This results in two, varying in the circumferential direction partial flow channels, which are responsible for the desired flow optimization.
  • the diffuser has a replaceable insert in the area radially outside the rotor blades, which can be exchanged for another insert with other geometric dimensions as needed and depending on the selected turbine blade height.
  • Fig. 1 shows a section through the outflow of an axial turbine with inventively integrated diffuser and gas outlet housing
  • FIG. 2 shows an enlarged section of an exchangeable insert piece, which is arranged in the region radially outside the turbine blades in the diffuser.
  • Fig. 1 shows the outflow region of an axial turbine.
  • the housing 1 in the outflow region essentially comprises the turbine-near diffuser, which is delimited by an inner diffuser wall 12 and an outer diffuser wall 11, and the outer gas outlet housing 10, which accommodates the inner flow 13 emerging from the inner region of the diffuser and as an outer flow 14 leads to the outlet flange of the gas outlet housing.
  • the task of the housing in the outflow area of the turbine is to delay the flow velocity of the exhaust gas without losing much pressure.
  • the gas outlet housing 10 is integrally formed with the diffuser housing. This results in an aerodynamically optimal transition from the inner flow region 13 to the outer flow region 14.
  • the region of the intersection between the gas outlet housing 10 and the outer wall 11 of the diffuser is T-shaped.
  • the point of intersection T travels along the circumference of the diffuser wall, so that the outer flow channel has an unequal cross-section.
  • the gas outlet housing with integrated diffuser optionally contains an insert piece 15, which is arranged in the region radially outside the turbine blades 3.
  • Fig. 2 shows this area in an enlarged view. If a new blade height is provided in an axial turbine with a given housing size, ie a given integrated diffuser and gas outlet housing, the insert 15 can be exchanged to compensate for the distance between the blade tips and the housing. This can be easily, and especially without great logistical and assembly-technical effort to realize several turbine configurations with one and the same turbine size.
  • the differing housing parts are only the small inserts. It does not need to be replaced large diffuser
  • the insert 15 can be fastened between the diffuser outer wall and, for example, the nozzle ring 4 or the gas inlet housing 2.
  • the insert can be attached to any housing piece, for example by means of screws.
  • Fig. 2 it is indicated how for different lengths blades with correspondingly offset blade tips 32, the inner contour of the different inserts is moved radially inward.
  • the outer fastening ring of the nozzle ring 4 is arranged upstream of the insert 15 in the flow direction.
  • the inner diameter of the outer mounting ring of the nozzle ring is smaller than the inner diameter of the inner contour of the insert 15. The difference is advantageously 0.3 to 3 times the distance between the blade tips and the inner contour of the insert.
  • the insert may optionally be arranged between two housing parts such that it has a certain range of motion in the radial direction. Thus, thermal stresses in the insert can be prevented. It should be noted that the insert by the adjacent housing pieces with respect
  • the wall thickness of the insert is small compared to the adjacent housing parts. As a result, thermal tensions can be prevented during rapid temperature changes. Further, the difference in the thermal expansion of the insert and the turbine runner can be kept small.
  • the transition between insert 15 and the outer diffuser wall 11 may be formed flat or provided with a positive or negative step.

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Abstract

Aufgabe der Erfindung besteht darin, den Abströmbereich einer Axialturbine mit einfachen Mitteln strömungstechnisch zu verbessern. Erfindungsgemäss wird dies dadurch erreicht, dass bei einer Axialturbine das Gehäuse im Abströmbereich, vom Diffusor bis zum Gasaustrittsgehäuse als ein Bauteil mit einem kombinierten inneren und äusseren Strömungskanal ausgebildet ist. Durch die Integration des Diffusors in das Gasaustrittsgehäuse wird ein Gehäuse geschaffen, welches aerodynamisch optimiert ist und eine maximale Strömungsverzögerung bei minimalem Druckverlust gewährleistet.

Description

Turbinengehäuse
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 das Gehäuse einer Axialturbine eines Abgasturboladers sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Turbinengehäuses.
Stand der Technik
Abgasturbolader werden zur Leistungssteigerung von Brennkraftmaschinen, insbesondere Hubkolbenmotoren, eingesetzt. Dabei besitzt ein Abgasturbolader üblicherweise einen Radialverdichter und eine Radial- oder Axialturbine.
Bei der Auslegung eines Abgasturboladers für eine bestimmte Anwendung wird unter anderem die Turbinenseite den Anforderungen der Brennkraftmaschine entsprechend konfiguriert. Dabei können beispielsweise für eine gegebene Turbinengrösse, also eine bestimmte Turbinenradgrösse und ein entsprechendes Turbinengehäuse, Turbinenschaufeln mit unterschiedlichen Schaufelhöhen vorgesehen werden. Je nach Anwendung werden kürzere oder längere Schaufeln auf dem Schaufelträger montiert.
Um auf eine sich ändernde Anwendung zu reagieren, sollen auch später Turbinenschaufeln mit abweichender Schaufelhöhe in eine bestehende Abgasturbine nachgerüstet werden können.
Natürlich müssen durch die sich ändernden Schaufelhöhen auch die Gehäuseteile in unmittelbarer Umgebung der Laufschaufeln, also insbesondere die Diffusoraussenwand, angepasst werden. Dies kann bei herkömmlichen Abgasturbinen umständlich sein, insbesondere wenn grossere Gehäuseteile, welche ein erhebliches Gewicht aufweisen können, auf einem Abgasturbolader ersetzt werden müssen. Gasaustrittsgehäuse von Axialturbinen, wie etwa aus DE 101 37 899 C1 bekannt, sind in der Regel als ein Sammelraum ausgebildet, welcher auf der einen Seite einen in etwa halbkreisförmigen Querschnitt aufweist, und auf der gegenüberliegenden Seite einen runden oder rechteckigen Flansch zum Verbinden mit einer Abströmleitung umfasst. In den Sammelraum hinein ragt der Diffusor, welcher im Anschluss an den Schaufelkranz des Turbinenrades praktisch axial verläuft und im Bereich der Mündung in den Sammelraum eine radiale Umlenkung erfährt. Die Strömung ist bei herkömmlichen Abströmgehäusen nur im Bereich des Diffusors aufgrund genau abgestimmter Diffusorgeomethen kontrolliert. Wenn die Strömung den Diffusor in den Sammelraum verlässt, dann geht die Strömung ihren unkontrollierten Lauf.
Kurze Darstellung der Erfindung
Aufgabe der Erfindung besteht darin, den Abströmbereich einer Axialturbine mit einfachen Mitteln strömungstechnisch zu verbessern.
Erfindungsgemäss wird dies dadurch erreicht, dass bei einer Axialturbine das Gehäuse im Abströmbereich, vom Diffusor bis zum Gasaustrittsgehäuse als ein Bauteil mit einem kombinierten inneren und äusseren Strömungskanal ausgebildet ist. Durch die Integration des Diffusors in das Gasaustrittsgehäuse wird ein Gehäuse geschaffen, welches aerodynamisch optimiert ist und eine maximale Strömungsverzögerung bei minimalem Druckverlust gewährleistet. Der kombinierte innere und äussere Strömungskanal wird durch das Gasaustrittsgehäuse und eine Diffusorwand begrenzt, wobei sich der Schnittpunkt zwischen Gasaustrittsgehäuse und Diffusorwand erfindungsgemäss entlang dem Umfang auf unterschiedlichen Radien befindet. Dadurch ergeben sich zwei, in Umfangsrichtung variierende Teil-Strömungskanäle, welche für die gewünschte Strömungsoptimierung verantwortlich sind.
Optional weist der Diffusor im Bereich radial ausserhalb der Laufschaufeln ein austauschbares Einsatzstück auf, welches bei Bedarf und in Abhängigkeit der gewählten Turbinenschaufelhöhe gegen ein anderes Einsatzstück mit anderen geometrischen Abmessungen ausgetauscht werden kann. Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Im folgenden ist anhand der Figuren die erfindungsgemässe Vorrichtung schematisch dargestellt und näher erläutert.
In allen Figuren sind gleichwirkende Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen: Fig. 1 zeigt einen Schnitt durch den Abströmbereich einer Axialturbine mit erfindungsgemäss integriertem Diffusor und Gasaustrittsgehäuse, und
Fig. 2 zeigt einen vergrösserten Ausschnitt eines austauschbaren Einsatzstücks, welches im Bereich radial ausserhalb der Turbinenschaufeln im Diffusor angeordnet ist.
Weg zur Ausführung der Erfindung
Fig. 1 zeigt den Abströmbereich einer Axialturbine. Das Gehäuse 1 im Abströmbereich umfasst im wesentlichen den turbinennahen Diffusor, welcher von einer inneren Diffusorwand 12 und einer äusseren Diffusorwand 11 begrenzt ist, und das äussere Gasaustrittsgehäuse 10, welches die aus dem inneren Bereich des Diffusors austretende innere Strömung 13 aufnimmt und als äussere Strömung 14 zum Austrittsflansch des Gasaustrittsgehäuses führt. Aufgabe des Gehäuses im Abströmbereich der Turbine ist das Verzögern der Strömungsgeschwindigkeit des Abgases, ohne dabei viel Druck zu verlieren.
Das Gasaustrittsgehäuse 10 ist mit dem Diffusorgehäuse einteilig ausgebildet. Dadurch ergibt sich ein aerodynamisch optimaler Übergang vom inneren Strömungsbereich 13 zum äusseren Strömungsbereich 14. Der Bereich des Schnittpunktes zwischen dem Gasaustrittsgehäuse 10 und der äusseren Wand 11 des Diffusors ist T-förmig. Der Schnittpunkt T wandert über den Umfang verteilt der Diffusorwand entlang, so dass der äussere Strömungskanal einen ungleichen Querschnitt aufweist. Das Gasaustrittsgehäuse mit integriertem Diffusor enthält optional ein Einsatzstück 15, welches im Bereich radial ausserhalb der Turbinenschaufeln 3 angeordnet ist. Fig. 2 zeigt diesen Bereich in einer vergrösserten Darstellung. Wird bei einer Axialturbine mit gegebener Gehäusegrösse, also gegebenem integriertem Diffusor und Gasaustrittsgehäuse, eine neue Laufschaufelhöhe vorgesehen, kann zum Ausgleich des Abstandes zwischen den Schaufelspitzen und dem Gehäuse das Einsatzstück 15 ausgetauscht werden. Damit lassen sich auf einfache Weise, und insbesondere ohne grossen logistischen und montagetechnischem Aufwand, mehrere Turbinenkonfigurationen mit ein und derselben Turbinengrösse realisieren. Die sich unterscheidenden Gehäuseteile sind lediglich die kleinen Einsatzstücke. Es brauchen keine grossen Diffusoren ausgetauscht oder gar ganze Gasaustrittsgehäuse ersetzt zu werden.
Das Einsatzstück 15 lässt sich, wie in der Fig. 2 dargestellt zwischen der Diffusoraussenwand und beispielsweise dem Düsenring 4 oder dem Gaseintrittsgehäuse 2 befestigen. Alternativ kann das Einsatzstück an einem beliebigen Gehäusestück befestigt werden, beispielsweise mittels Schrauben. In Fig. 2 ist angedeutet, wie für unterschiedlich lange Schaufeln mit entsprechend versetzten Schaufelspitzen 32 die Innenkontur der unterschiedlichen Einsatzstücke gegen radial innen verschoben ist.
Der äussere Befestigungsring des Düsenrings 4 ist in Strömungsrichtung vor dem Einsatzstück 15 angeordnet. Vorteilhafterweise ist der innere Durchmesser des äusseren Befestigungsrings des Düsenrings kleiner als der innere Durchmesser der Innenkontur des Einsatzstücks 15. Die Differenz beträgt vorteilhafterweise das 0.3 bis 3 Fache des Abstandes zwischen den Schaufelspitzen und der Innenkontur des Einsatzstücks.
Das Einsatzstück kann optional derart zwischen zwei Gehäuseteilen angeordnet sein, dass es in radialer Richtung einen gewissen Bewegungsspielraum aufweist. Damit können thermische Spannungen im Einsatzstück verhindert werden. Dabei ist zu achten, dass das Einsatzstück durch die angrenzenden Gehäusestücke bezüglich der
Turbinenachse zentriert bleibt. Dies kann mit Vorteil dadurch erreicht werden, dass am austhttsseitigen Ende des Einsatzstücks 16 ein Zentriersitz vorhanden ist. Radial ausserhalb der Turbinenschaufeln kann das Einsatzstück sich in radialer Richtung frei ausdehnen, sofern ein Spalt 17 zwischen dem Einsatzstück und dem radial ausserhalb des Einsatzstücks angeordneten Gehäuseteil vorgesehen ist.
Die Wandstärke des Einsatzstücks ist im Vergleich zu den benachbarten Gehäuseteilen klein. Dadurch können bei schnellen Temperaturwechseln thermische Spannungen verhinderte werden. Weiter kann der Unterschied der thermische Dehnung des Einsatzstückes und das Turbinenlaufrad klein gehalten werden. Der Übergang zwischen Einsatzstück 15 und der äusseren Diffusorwand 11 kann flach oder aber mit einer positiven oder negativen Stufe versehen ausgebildet sein.
Bei der Herstellung oder Wartung einer derart ausgebildeten Axialturbine, kann das
Einsatzstück vor dem Einbau in das integrierte Gehäuse mit dem gewünschten Innendurchmesser versehen werden, welcher sich aufgrund der gewählten
Turbineschaufellängen ergibt. Muss im Betrieb die Schaufellänge angepasst werden, kann entsprechend das Einsatzstück durch ein anderes Einsatzstück ersetzt werden, welches einen grosseren oder kleineren Innendurchmesser aufweist. Für eine gegebene Turbinengrösse weisen alle Einsatzstücke die gleichen Aussenmasse auf, es variiert lediglich der Innendurchmesser.
Bezugszeichenliste Gehäuse im Abströmbereich Gasaustrittsgehäuse Äussere Diffusorwand Innere Diffusorwand Innerer Strömungskanal Äusserer Strömungskanal Einsatzstück Austrittsseitiges Ende des Einsatzstücks Radialer Spalt zwischen Gasaustrittsgehäuse und Einsatzstück Gaseintrittsgehäuse Turbinenrad Laufschaufeln Schaufelspitzen Abstand zwischen Schaufelspitzen und Gehäuse Düsenring

Claims

Patentansprüche
1. Gehäuse einer Axialturbine, umfassend einen Diffusor und ein Gasaustrittsgehäuse, wobei der Diffusor in einen durch das Gaseintrittsgehäuse begrenzten Sammelraum hineinragt, dadurch gekennzeichnet, dass der Diffusor und das Gasaustrittsgehäuse als ein integriertes, einteiliges Gehäuseteil ausgebildet sind.
2. Gehäuse nach Anspruch 1 , wobei das Gasaustrittsgehäuse (10) in einem Schnittpunkt (T) auf die Diffusorwand (11 ) trifft und die Position des Schnittpunktes (T) auf der Diffusorwand in Umfangsrichtung variiert.
3. Gehäuse nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei das integrierte Gehäuse im einem Bereich radial ausserhalb der Laufschaufeln (31 ) der Axialturbine ein
Einsatzstück (15) umfasst, welches als separates Bauteil in das integrierte Gehäuse eingesetzt ist.
4. Gehäuse nach Anspruch 3, wobei zwischen dem Einsatzstück (15) und dem radial ausserhalb angeordneten Gehäuseteil ein Radialspalt (17) vorgesehen ist und das Einsatzstück (15) am gasausthttsseitigen Ende (16) ein Zentriersitz aufweist, über welchen es am radial ausserhalb angeordneten Gehäuseteil zentriert ist.
5. Verfahren zur Herstellung oder Wartung einer Axialturbine eines Abgasturboladers, bei welchem Verfahren für eine gegebene Turbinengrösse unterschiedlich lange Laufschaufeln eingesetzt werden können, dadurch gekennzeichnet, dass in ein Gasaustrittsgehäuse mit integriertem Diffusor ein Einsatzstück eingesetzt wird, welches zuvor mit einem auf die gewählten Laufschaufellänge abgestimmten Innendurchmesser versehen wird.
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