WO2015197154A1 - Turbolader-verdichtergehäuse mit berstschutz - Google Patents

Turbolader-verdichtergehäuse mit berstschutz Download PDF

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WO2015197154A1
WO2015197154A1 PCT/EP2015/001082 EP2015001082W WO2015197154A1 WO 2015197154 A1 WO2015197154 A1 WO 2015197154A1 EP 2015001082 W EP2015001082 W EP 2015001082W WO 2015197154 A1 WO2015197154 A1 WO 2015197154A1
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compressor
compressor housing
housing
wall
compensation space
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Stefan ILL
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Mtu Friedrichshafen Gmbh
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D29/00—Details, component parts, or accessories
    • F04D29/40—Casings; Connections of working fluid
    • F04D29/42—Casings; Connections of working fluid for radial or helico-centrifugal pumps
    • F04D29/4206—Casings; Connections of working fluid for radial or helico-centrifugal pumps especially adapted for elastic fluid pumps
    • 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
    • F01D21/00—Shutting-down of machines or engines, e.g. in emergency; Regulating, controlling, or safety means not otherwise provided for
    • F01D21/04—Shutting-down of machines or engines, e.g. in emergency; Regulating, controlling, or safety means not otherwise provided for responsive to undesired position of rotor relative to stator or to breaking-off of a part of the rotor, e.g. indicating such position
    • F01D21/045—Shutting-down of machines or engines, e.g. in emergency; Regulating, controlling, or safety means not otherwise provided for responsive to undesired position of rotor relative to stator or to breaking-off of a part of the rotor, e.g. indicating such position special arrangements in stators or in rotors dealing with breaking-off of part of rotor
    • 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

Definitions

  • Compressors are an integral part in turbochargers, especially exhaust gas turbochargers.
  • the compressor wheel rotating in the compressor can cause considerable damage to the entire system in the event of a break, the so-called bursting, since the immense rotational energy in the housing must be absorbed.
  • the regulations prescribed for this purpose require energy reduction of the compressor wheel in the event of a burst, without it being possible for an oil chamber behind the compressor wheel to be damaged in the process.
  • Containment refers to the protection against failing, rapidly rotating components by suitably dimensioned housings. Breaks e.g. a grinding wheel, the fragments must not leave the protective housing. The same applies to a failure of the rotor of a pump or the blades of an engine or turbocharger.
  • the casings of the compressors are usually made very solid and must withstand their wall thickness bestbestvorgang. However, such sized wall thicknesses do not allow controlled energy absorption so often fragments fly around uncontrollably in the housing and / or connecting means on the housing or on
  • Housing components must be built very massive in order to keep the system closed in case of bursting. This makes a housing according to the prior art expensive, difficult and complex to calculate the safety aspects.
  • the object of the invention is therefore to provide a housing for a compressor, which avoids the disadvantages of the prior art.
  • the invention proposes a compressor housing for receiving a compressor wheel in a turbocharger, in particular an exhaust-gas turbocharger, in which the compressor housing has a housing section which acts as a compensation chamber for fragments which occur when a compressor wheel ruptures.
  • the housing portion is integrally formed with the compressor housing, in particular formed.
  • the invention provides a housing for a compressor on a turbocharger that provides improved internal energy absorption upon bursting of the compressor wheel
  • Compensation space which is located on the outer wall area, is thus integrated into the overall contour of the compressor housing. In this way, compact and space-saving components are provided in the engine.
  • Compensation space has an inner wall and an outer wall and the
  • Inner wall in its wall thickness dimensioned and formed so that they
  • Bursting of a compressor wheel is deformed and / or penetrated while absorbing energy and the outer wall in its wall thickness dimensioned and designed such that fragments are retained when bursting a compressor wheel
  • the inner wall absorbs a first small portion of the kinetic energy.
  • the remaining kinetic energy of the bursting splitter of the compressor wheel is then held up by the more solid outer wall.
  • FIG. 1 A compressor housing according to the invention in section in horizontal
  • FIG. 2 A compressor housing according to the invention in section in the vertical direction. Identical components are identified by the same reference numerals.
  • FIG. 1 It shows Figure 1 and 2, the compressor 1 of a turbocharger in horizontal and vertical section.
  • the compressor comprises a compressor housing 2, in which a compressor 3 is mounted on a shaft 4 stored.
  • the compressor wheel 3 comprises compressor blades 5, which suck by its geometry and curvature in a known manner by rotation of the compressor impeller 3 air (gas) from the suction side 6 on the compressor 1.
  • the sucked air is compressed by the high speed of the compressor wheel 3 and in the diffuser 7 by the
  • the diffuser 7 follows the spiral housing 13 in a known manner radially encircling, wherein the diffuser increases continuously in cross-section to the outlet.
  • Compressor 1 the compressor rear wall 10 is arranged. This is shown very schematically in the present case. The arranged in a known manner seals and bushings and the oil-carrying components are not shown.
  • Invention provided to dissipate the rupture energy forward, away from the compressor rear wall 10. To make this possible is in addition to the compressor housing
  • Compensation space 15 provided as a cast-in cavity.
  • the compensation space (shown by way of example on the cross section 15a) comprises an inner wall 20 and an outer wall 21. Fragments of the compressor blades 5 upon bursting of the
  • Ver Whyrrads 3 first penetrate the inner wall 20 and enter the
  • Compensation space 15 allows improved burst energy reduction forward, ie away from the compressor rear wall 10.
  • the compressor 3 can be when bursting in the
  • FIG. 1 also shows the plug 22 for emptying the compensation space 15 after casting.
  • the compressor housing 2 is connected to the compressor rear wall 10 by a circumferential V-band clamp 12 (in the present case only shown in Fig. 1, right side) connected to the projections 11.
  • This V-band clamp 12 holds the housing components together and, in the event of rupture of the compressor wheel 3, must hold the forces occurring between the housing halves 2 and 10.
  • the compressor wheel 3 would insert radially into the diffuser channel 8, resulting in a separation of the compound on the projections 11.
  • the V-band clamp must be made more massive in order to hold the forces occurring.
  • V-band clamp 12 Due to the formation of the compensation space 15, the forces acting on the V-band clamp 12 are also reduced. The V-band clamp 12 on the housing is relieved, since not all the rupture energy must be absorbed.
  • Compressor housing 2 with less overall mass hold back the burst of a titanium compressor wheel. This improves the power-to-weight ratio of the entire turbocharger.
  • the attachment to the flanges 23 on the suction side can be dimensioned reduced, which also improves the power of the entire engine.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Structures Of Non-Positive Displacement Pumps (AREA)
  • Supercharger (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verdichtergehäuse zur Aufnahme eines Verdichterrads bei einem Turbolader, insbesondere einem Abgasturbolader, wobei das Verdichtergehäuse einen Gehäuseabschnitt aufweist, welcher als Kompensationsraum für Bruchstücke, die beim Bersten eines Verdichterrads auftreten, dient und dieser einstückig mit dem Verdichtergehäuse ausgebildet, insbesondere ausgeformt ist.

Description

BESCHREIBUNG
TURBOLADER-VERDICHTERGEHÄUSE MIT BERSTSCHUTZ
Verdichter stellen bei Turboladern, insbesondere Abgasturboladern einen wesentlichen Bestandteil dar. Das im Verdichter rotierende Verdichterrad kann im Fall eines Bruches, beim sogenannten Bersten jedoch erheblichen Schaden am gesamten System anrichten, da die immense Rotationsenergie im Gehäuse absorbiert werden muss. Die hierzu vorgegeben Vorschriften verlangen einen Energieabbau des Verdichterrads im Berstfall, ohne dass ein Ölraum hinter dem Verdichterrad dabei beschädigt werden kann.
Unter Containment versteht man den Schutz vor versagenden, schnell rotierenden Bauteilen durch entsprechend dimensionierte Gehäuse. Bricht z.B. eine Schleifscheibe, so dürfen die Bruchstücke das Schutzgehäuse nicht verlassen. Gleiches gilt auch bei einem Versagen des Rotors einer Pumpe oder der Laufschaufeln eines Triebwerks oder Turboladers.
Die Gehäuse der Verdichter sind üblicherweise sehr massiv ausgeführt und müssen ihre Wandstärke einem Bestvorgang standhalten. Derartige dimensionierte Wandstärken erlauben jedoch keine kontrollierte Energieabsorption so dass oftmals Bruchstücke im Gehäuse unkontrolliert umherfliegen und/oder Verbindungsmittel am Gehäuse oder an
Gehäusebestandteilen sehr massiv aufgebaut werden müssen, um das System im Berstfall geschlossen zu halten. Dies macht ein Gehäuse nach dem Stand der Technik teuer, schwer und die Sicherheitsaspekte komplex zu berechnen.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Gehäuse für einen Verdichter bereit zu stellen, welches die Nachteile des Standes der Technik vermeidet. Die Erfindung schlägt ein Verdichtergehäuse zur Aufnahme eines Verdichterrads bei einem Turbolader, insbesondere einem Abgasturbolader, vor, wobei das Verdichtergehäuse einen Gehäuseabschnitt aufweist, welcher als Kompensationsraum für Bruchstücke, die beim Bersten eines Verdichterrads auftreten. Erfindungsgemäß ist der Gehäuseabschnitt einstückig mit dem Verdichtergehäuse ausgebildet, insbesondere ausgeformt. Die Erfindung stellt ein Gehäuse für einen Verdichter an einem Turbolader bereit, welches bei einem Bersten des Verdichterrades eine verbesserte interne Energieabsorption bietet, um
Beschädigungen an anderen Bauteilen des Turboladers, insbesondere am Ölraum und/oder an den Flanschen oder Gehäuseverbindungsteilen zu vermeiden. Zusätzlich wird auf das Anbringen, Befestigen und Sichern zusätzlicher Bauteile verzichtet.
Vorteilhaft ist das Einbringen des Kompensationsraums in ein einstückig ausgeformtes
Gehäuseteil während dessen Herstellungsverfahrens, also beispielsweise beim Guss des Teiles. Dadurch wird eine weitere Bearbeitung vermieden oder zumindest verringert und die
Verliersicherheit etwaiger Bestandteile ist gegeben.
Darüber hinaus ist es vorteilhaft, den Kompensationsraum im Volumen des Gehäuses
unterzubringen, derart, dass eine kompakte Baugruppe entsteht. Die Wandung des
Kompensationsraums, welche am Außenwandbereich liegt, ist damit in die Gesamtkontur des Verdichtergehäuses integriert. Auf diese Weise werden kompakte und damit bauraumbegünstigte Komponenten im Motor bereitgestellt.
Besonders vorteilhaft ist es, das Verdichtergehäuse derart auszubilden, dass der
Kompensationsraum eine Innenwandung und eine Außenwandung aufweist und die
Innenwandung in ihrer Wandstärke derart dimensioniert und ausgebildet ist, dass sie beim
Bersten eines Verdichterrades deformiert und/oder durchschlagen wird und dabei Energie absorbiert und die Außenwandung in ihrer Wandstärke derart dimensionier und ausgebildet ist, dass Bruchstücke beim Bersten eines Verdichterrades zurückgehalten werden Die Innenwand nimmt dabei einen ersten kleinen Anteil der kinetischen Energie auf. Der verbleibende Anteil an kinetischer Energie der Berstsplitter des Verdichterrads wird dann durch die massiver ausgeführte Außenwandung aufgehalten. Dadurch wird die Energieaufnahme bereits vom Radrückenbereich des Gehäuses beim Bersten eines Verdichterrads entfernt oder zumindest stark reduziert. Eine massive Ausführung des Radrückens am Gehäuse, beispielsweise gegenüber einem ölführenden Lagergehäuse kann damit reduziert werden oder nahezu entfallen.
Die Kompensation kinetischer Energie durch die Deformation oder Durchschlagung einer Wandung bei gleichzeitiger Sicherung gegenüber einem Austritt durch die weitere Wandung erlaubt eine geringere Wandstärke der Außenwandung, als wenn eine Wandung die komplette Energie absorbieren müsste. Daraus folgen insgesamt eine geringere Masse und damit eine Verbesserung des Leistungsgewichts. Auch die Anbindung am Motor muss nur die geringere Masse aufnehmen, wodurch auch hier eine Verbesserung des Motorleistungsgewichts erfolgt. Exemplarisch sollen die weiteren Merkmale der Erfindung am folgend dargestellten
Ausfuhrungsbeispiel schematisch erläutert werden. Die Erfindung ist jedoch nicht auf die dargestellte Geometrie beschränkt.
Es zeigen dabei
Figur 1 Ein erfindungsgemäßes Verdichtergehäuse im Schnitt in horizontaler
Richtung;
Figur 2 Ein erfindungsgemäßes Verdichtergehäuse im Schnitt in vertikaler Richtung. Gleiche Bestandteile sind mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
Es zeigt Figur 1 und 2 den Verdichter 1 eines Turboladers im Horizontal- und Vertikalschnitt. Der Verdichterl umfasst ein Verdichtergehäuse 2, in welchem ein Verdichterrad 3 auf einer Welle 4 gelagert aufgenommen ist. Das Verdichterrad 3 umfasst Verdichterschaufeln 5, welche durch ihre Geometrie und Krümmung in bekannter Weise durch Rotation des Verdichterrads 3 Luft (Gas) von der Ansaugseite 6 am Verdichter 1 ansaugen. Die Angesaugte Luft wird durch die hohe Drehzahl des Verdichterrads 3 verdichtet und in den Diffusor 7 durch den
Diffusorkanal 8 abgegeben. Der Diffusor 7 folgt dem Spiralgehäuse 13 in bekannter weise radial umlaufend, wobei sich der Diffusor kontinuierlich im Querschnitt bis zum Austritt vergrößert.
Auf der Rückseite 9 des Verdichterrads 3, also der Ansaugseite 6 gegenüberliegend am
Verdichter 1 ist die Verdichterrückwand 10 angeordnet. Diese ist vorliegend sehr schematisch dargestellt. Die in bekannter weise angeordneten Dichtungen und Durchführungen sowie die ölführenden Bestandteile sind nicht dargestellt.
Tritt nun im Verdichter 1 ein gravierender Defekt durch das Bersten des Verdichterrads 3 auf, so werden die Bruchstücke des Verdichterrads 3 aufgrund der hohen Drehzahlen (oft über 100.000 U/min) mit erheblicher kinetischer Energie in den Raum abgegeben. Das Containment des Gehäuses, also der Schutz der Umgebung durch das Gehäuse muss die auftretende kinetische Energie absorbieren. Insbesondere darf der Ölraum hinter der Verdichterrückwand 10 nicht zerstört oder so massiv belastet werden, dass Öl austreten kann. Es ist daher im Sinn der
Erfindung vorgesehen, die Berstenergie nach vorne, weg von der Verdichterrückwand 10 abzuführen. Um dies zu ermöglichen ist im Verdichtergehäuse zusätzlich ein
Kompensationsraum 15 als eingegossener Hohlraum vorgesehen.
Ähnlich wie die gezeigten Diffusorräume 7a, 7b, 7c, 7d verändern auch die gezeigten
Kompensationsräume 15a, 15b, 15c, 15d ihren Querschnitt mit dem radialen Umlauf im
Spiralgehäuse 13. Diese konstruktive Eigenschaft erlaubt es, den Kompensationsraum 15 in die kompakte Baugruppe des Verdichtergehäuses 2 gut zu integrieren.
Der Kompensationsraum (exemplarisch am Querschnitt 15a gezeigt) umfasst eine Innenwandung 20 und eine Außenwandung 21. Bruchstücke der Verdichterschaufeln 5 beim Berst des
Verdichterrads 3 durchschlagen als erstes die Innenwandung 20 und treten in den
Kompensationsraum 15 ein. Der dadurch entstehende weitere Freiraum um Umfang des
Kompensationsraums 15 lässt einen verbesserten Berstenergieabbau nach vorne, also weg von der Verdichterrückwand 10 zu. Das Verdichterrad 3 kann sich beim Bersten in den
eingegossenen Hohlraum verteilen und wird damit weg vom hinter der Verdichterrückwand 10 liegenden Ölraum geführt. Die Außenwandung 21 hält durch ihre massivere Ausführung die geborstenen Teile des Verdichterrads zurück und stellt das geforderte Containment bereit.
Durch die Herstellung des Verdichtergehäuses 2 mit integriertem Kompensationsraum 15 im Gussverfahren als einstückiges Teil wird ein Verzicht auf zusätzliche Einschubteile oder
Anbauelemente erreicht, welche über Verbindungselemente anzubringen wären und
Schwachstellen darstellen können. Beispielsweise können Berstbleche nicht verwendet werden, da diese aufgrund der Schwingungen oder der notwendigen Verliersicherung nicht ohne weiteres technisch und vor allem wirtschaftlich darstellbar sind. Auch die bekannte Ausführung der bei steigenden Anforderungen ansteigenden Wandstärke des Verdichtergehäuses insgesamt ist nicht zielführend.
In Figur 1 ist noch der Stopfen 22 zur Entleerung des Kompensationsraums 15 nach dem Guss dargestellt. Ein weiterer Vorteil ergibt sich in der Verbindung der Gehäusehälften 2 und 10. Das Verdichtergehäuse 2 ist mit der Verdichterrückwand 10 durch eine umlaufende V-Band-Schelle 12 (vorliegend nur in Fig. 1, rechtsseitig gezeigt) an den Vorsprüngen 11 verbunden. Diese V- Band-Schelle 12 hält die Gehäusebestandteile zusammen und muss im Fall eines Berstens des Verdichterrads 3 die zwischen den Gehäusehälften 2 und 10 auftretenden Kräfte halten. Bei einer massiven Einwandausführung würde sich das Verdichterrad 3 radial in den Diffusorkanal 8 einschieben, was zu einem Trennen der Verbindung an den Vorsprüngen 11 führt. In diesem Fall muss die V-Band-Schelle massiver ausgestaltet sein, um die auftretenden Kräfte zu halten.
Durch die Ausbildung des Kompensationsraums 15 werden auch die auf die V-Band-Schelle 12 wirkenden Kräfte reduziert. Die V-Band-Schelle 12 am Gehäuse wird entlastet, da nicht die gesamte Berstenergie aufgenommen werden muss.
Die insgesamt ermöglichte Verringerung der Wandstärken durch den Kompensationsraum 15 und die schwächere V-Band-Schelle sowie entsprechender Vorsprünge 11 kann das
Verdichtergehäuse 2 bei insgesamt geringerer Masse den Berst eines Titan- Verdichterrads zurückhalten. Dadurch wird das Leistungsgewicht des gesamten Turboladers verbessert. Auch die Anbringung an den Flanschen 23 an der Ansaugseite kann verringert dimensioniert werden, wodurch sich auch das Leistungsgewicht des gesamten Motors verbessert.

Claims

ANSPRÜCHE
1. Verdichtergehäuse zur Aufnahme eines Verdichterrads bei einem Turbolader, insbesondere einem Abgasturbolader, wobei das Verdichtergehäuse einen Gehäuseabschnitt aufweist, welcher als Kompensationsraum für Bruchstücke, die beim Bersten eines Verdichterrads auftreten, dient, dadurch gekennzeichnet, dass der Gehäuseabschnitt einstückig mit dem Verdichtergehäuse ausgebildet, insbesondere ausgeformt ist.
2. Verdichtergehäuse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verdichtergehäuse als Gussteil ausgebildet ist.
3. Verdichtergehäuse nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der
Kompensationsraum als Hohlraum im Volumen des Verdichtergehäuses ausgebildet ist.
4. Verdichtergehäuse nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kompensationsraum eine Öffnung zur außenseitigen Umgebung des
Verdichtergehäuses umfasst, wobei die Öffnung vorzugsweise mit einem Verschlussdeckel verschließbar ist.
5. Verdichtergehäuse nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kompensationsraum zumindest teilweise radial unterhalb eines Diffusorraums im Verdichtergehäuse angeordnet ist.
6. Verdichtergehäuse nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kompensationsraum eine Innenwandung und eine Außenwandung aufweist und die Innenwandung in ihrer Wandstärke derart dimensioniert und ausgebildet ist, dass sie beim Bersten eines Verdichterrades deformiert und/oder durchschlagen wird und dabei Energie absorbiert und die Außenwandung in ihrer Wandstärke derart dimensionier und ausgebildet ist, dass Bruchstücke beim Bersten eines Verdichterrades zurückgehalten werden.
7. Verdichtergehäuse nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kompensationsraum um eine Längsachse des Verdichtergehäuses, welche einer
Rotationsachse eines Verdichterrades entspricht, umlaufend im Wesentlichen auf einer
Kreisbahn verläuft.
8. Verdichtergehäuse nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kompensationsraum entlang seines Verlaufs einen sich ändernden Querschnitt aufweist.
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