Berstschutzvorrichtung für Radialturbinen von Turboladern

Abstract

 Aufgabe der Erfindung ist es, eine einfache und sichere Berstschutzvorrichtung für Radialturbinen von Turboladern zu schaffen und damit die Standfestigkeit der Turbine, respektive die Verfügbarkeit der mit ihr verbundenen Brennkraftmaschine zu erhöhen.
Erfindungsgemäss wird das dadurch erreicht, dass radial zwischen Gaseintritt- (3) und Gasaustrittgehäuse (4), jedoch mit Ausnahme des Leitschaufelkanals (8), eine erste Berstschutzeinrichtung (16) angeordnet sowie am Gaseintrittgehäuse (3) eine zweite Berstschutzeinrichtung (17) ausgebildet und beide Berstschutzeinrichtungen (16, 17) axial im Bereich des Turbinenrades (6) angeordnet sind.

Beschreibung

Technisches Gebiet

[0001] Die Erfindung betrifft eine Berstschutzvorrichtung für Radialturbinen von Turboladern, gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Stand der Technik

[0002] Ein entscheidendes Kriterium zur Leistungssteigerung von mit Abgasturboladern verbunden Brennkraftmaschinen ist der vom Verdichter des Abgasturboladers aufgebrachte Ladedruck. Wird der Ladedruck erhöht, kann mehr Luft in die Zylinder gepresst und so die Leistung der Brennkraftmaschine verbessert werden. Um hohe Ladedrücke zu erreichen, drehen die heute eingesetzten Abgasturbolader mit sehr hohen Umfangsgeschwindigkeiten. Insbesondere bei grösseren Abgasturboladern führt das dazu, dass die Bruchstücke einer geborstenen Laufschaufel nur durch aufwendige konstruktive Massnahmen im Turbinengehäuse zurückgehalten werden können. Aufgrund der grösseren Masse der möglichen Bruchstücke wird dieses Problem bei den sogenannten Integralturbinen noch verstärkt, weil deren Turbinenscheiben und Laufschaufeln einstückig gefertigt sind.

[0003] Um das Durchschlagen von Bruchstücken durch die Aussenwand des Turboladers und somit die Gefährdung von Personen oder eine Beschädigung benachbarter Maschinenteile zu verhindern, werden die heutigen Turbolader im Bereich radial ausserhalb des Turbinenlaufrades mit relativ dicken Wänden im Turbinengehäuse versehen. Diese Lösungen weisen jedoch eine Reihe von Nachteilen auf, wie z.B. das erhebliche Mehrgewicht des Gehäuses und die Gefahr von Lunkerbildungen aufgrund schlechterer Giessbarkeit eines solchen Turbinengehäuses. Ausserdem erwärmt sich ein derart verdicktes Gehäuse unterschiedlich, so dass in der Folge Thermorisse auftreten können. Alle diese Faktoren senken die Standfestigkeit der Turbine und damit die Verfügbarkeit der mit ihr verbundenen Brennkraftmaschine.

[0004] Aus der DE-A1-42 23 496 ist eine Vorrichtung zur Reduzierung der kinetischen Energie von berstenden Teilen für mit hoher Geschwindigkeit umlaufende Maschinen bekannt. Diese im Inneren einer Axialturbine angeordnete Vorrichtung besteht aus mehreren miteinander verbundenen Schutzringen, zwischen denen jeweils eine aus duktilem Material gefertigte Knautschzone ausgebildet ist. Eine solche Lösung ist jedoch für Radialturbinen nicht geeignet, weil wegen deren radialen Gaseintritt keine Berstschutzeinrichtungen im radialen Bereich der Turbine eingesetzt werden können.

[0005] Auch externe Berstschützringe sind bekannt, reichen aber bei der grossen Masse der Turbine ebenfalls nicht aus, um ein Durchschlagen des Turbinengehäuses zu verhindern.

Darstellung der Erfindung

[0006] Die Erfindung versucht, alle diese Nachteile zu vermeiden. Ihr liegt die Aufgabe zugrunde, eine einfache und sichere Berstschutzvorrichtung für Radialturbinen von Turboladern zu schaffen und damit die Standfestigkeit der Turbine, respektive die Verfügbarkeit der mit ihr verbundenen Brennkraftmaschine zu erhöhen.

[0007] Erfindungsgemäss wird dies dadurch erreicht, dass bei einer Vorrichtung gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1, zwei Berstschutzeinrichtungen axial im Bereich des Turbinenrades angebracht sind. Die erste Berstschutzeinrichtung ist intern, d.h. radial zwischen Gaseintritt- und Gasaustrittgehäuse angeordnet und als umlaufender Berstschutzring ausgebildet, wobei jedoch der Leitschaufelkanal ausgenommen ist. Demgegenüber ist die zweite Berstschutzeinrichtung extern, d.h. aussen am Gaseintrittgehäuse angeordnet. Sie ist als spiralförmige Blechhülle ausgebildet und erstreckt sich zumindest über die axiale Ausdehnung des Turbinenrades. Gasaustrittseitig deckt der Berstschutzring ebenfalls zumindest die axiale Ausdehnung des Turbinenrades ab. Dazu weisen das Gaseintrittsowie das Gasaustrittgehäuse in ihrem Verbindungsbereich jeweils eine Ausnehmung auf. Beide Ausnehmungen bilden einen gemeinsamen Hohlraum, in dem der Berstschutzring lose angeordnet ist. Die zweite Berstschutzeinrichtung ist kraftschlüssig mit dem Gaseintrittgehäuse verbunden.

[0008] Damit wird eine relativ einfache und sichere Berstschutzvorrichtung für Radialturbinen von Turboladern geschaffen. Die lose Anordnung des Berstschutzrings erleichtert dessen Montage und führt so zu niedrigeren Montagekosten. Kommt es zum Bersten des Turbinenrades, nimmt der Berstschutzring einen Grossteil der Berstenergie auf. Da der Berstschutzring mit Ausnahme des Leitschaufelkanals die gesamte Länge des Turbinenrades abdeckt, können durch den relativ schmalen Leitschaufelkanal nur kleinere Turbinenbruchstücke in das Gaseintrittgehäuse geschleudert werden. Die grossen Bruchstücke, welche eine grosse kinetische Energie aufweisen, werden vom Berstschutzring aufgehalten. Wenn kleinere Bruchstücke die Wand des Gaseintrittgehäuses durchschlagen, so werden diese von der externen Berstschutzeinrichtung aufgefangen. Somit kann durch die Kombination interner und externer Berstschutzeinrichtungen auch bei sehr grossen freiwerdenden Energien ein Herausschleudern von Turbinenteilen in die Umgebung verhindert werden.

[0009] In einer zweiten Ausführungsform der Erfindung ist ausser den beiden o.g. Berstschutzeinrichtungen eine dritte Berstschutzeinrichtung angeordnet und als Stahldrahtseil-Paket ausgebildet. Das Stahldrahtseil-Paket ist ebenfalls im Hohlraum von Gaseintrittgehäuse sowie Gaseintrittgehäuse und zwar gasaustrittgehäuseseitig des Berstschutzrings angeordnet. Es besteht aus mehreren Stahldrahtseilen, welche parallel zur Umlaufrichtung des Turbinenrades und in zumindest einer Reihe nebeneinander angeordnet sind. Bei Verwendung dieser zusätzlichen Berstschutzeinrichtung vergrössert sich die Wahrscheinlichkeit, dass havarierte Turbinenbestandteile im Gehäuse zurückgehalten werden und dadurch auch die Sicherheit des Turboladers erheblich.

[0010] Es ist besonders zweckmässig, wenn in der Ausnehmung des Gasaustrittgehäuses zumindest zwei parallel zur Achse des Turbinenrades angeordnete Rippen ausgebildet sind und das Stahldrahtseil-Paket formschlüssig mit den Rippen verbunden ist. Auf diese Weise wird eine besonders einfache Montage und Befestigung der zusätzlichen Berstschutzeinrichtung gewährleistet.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

[0011] In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand eines der Radialturbine eines Abgasturboladers dargestellt.

[0012] Es zeigen:

Fig. 1 einen Teillängsschnitt der Radialturbine;

Fig. 2 eine Darstellung entsprechend Fig. 1, jedoch in einer zweiten Ausführungsform;

Fig. 3 einen Querschnitt durch das Gasaustrittgehäuse, entlang der Linie III-III in Fig. 2.

[0013] Es sind nur die für das Verständnis der Erfindung wesentlichen Elemente gezeigt. Nicht dargestellt ist von der Anlage beispielsweise die Verdichterseite des Abgasturboladers u. Die Strömungsrichtung des Arbeitsmittels ist mit Pfeilen bezeichnet.

Weg zur Ausführung der Erfindung

[0014] Der Abgasturbolader besteht hauptsächlich aus einem nicht dargestellten Verdichter und einer als Radialturbine ausgebildeten Abgasturbine 1. Die Radialturbine 1 besitzt ein Turbinengehäuse 2, mit einem spiralförmigen Gaseintrittgehäuse 3 und einem als Gasaustrittflansch ausgebildeten Gasaustrittgehäuse 4. Im Turbinenghäuse 2 ist ein von einer Welle 5 getragenes Turbinenrad 6 mit Laufschaufeln 7 drehbar gelagert. Verdichterseitig ist auf der Welle 5 ein ebenfalls nicht dargestelltes Verdichterrad angeordnet.

[0015] Das Gaseintrittgehäuse 3 geht stromab in einen Leitschaufelkanal 8 über, in dem ein Düsenring 9 formschlüssig zwischen Gaseintrittgehäuse 3 und Gasaustrittflansch 4 angeordnet ist. Die Welle 5 ist mittels Lagern 10 in einem Lagergehäuse 11 drehbar gelagert. Das Gaseintrittgehäuse 3 und das Lagergehäuse 11 sind über ein in Umfangsrichtung angeordnetes Spannband 12 miteinander verbunden (Fig. 1).

[0016] Das Gaseintrittgehäuse 3 und das Gasaustrittgehäuse 4 sind durch Schrauben 13 lösbar miteinander verbunden. Beide Teile des Turbinengehäuses 2 weisen in ihrem Verbindungsbereich jeweils eine Ausnehmung 14 auf. Die Ausnehmungen 14 bilden einen gemeinsamen Hohlraum 15, welcher eine erste, als umlaufender Berstschutzring ausgebildete Berstschutzeinrichtung 16, lose aufnimmt. Der Berstschutzring 16 ist somit radial zwischen dem Gaseintrittgehäuse 3 und dem Gasaustrittflansch 4 angeordnet, wobei jedoch der Bereich des Leitschaufelkanals 8 ausgenommen wird. Gasaustrittseitig deckt der Berstschutzring 16 das Turbinenrad 6 in seiner axialen Ausdehnung vollständig ab. Natürlich kann er das Turbinenrad 6 auf dieser Seite auch überragen.

[0017] Ausserhalb des Gaseintrittgehäuses 3 ist eine als spiralförmige Blechhülle ausgebildete, zweite Berstschutzeinrichtung 17 angeordnet und über mehrere Schrauben 18 lösbar mit dem Gaseintrittgehäuse 3 verbunden. Für beide Berstschutzeinrichtungen 16, 17 wird ein hochwertiges Material, wie z.B. Hastelloy verwendet. Dadurch kann die Schutzwirkung weiter verbessert werden.

[0018] Beim Betrieb einer nicht dargestellten, mit dem Abgasturbolader verbundenen sowie als Dieselmotor ausgebildeten Brennkraftmaschine gelangen deren Abgase zunächst in das Gaseintrittgehäuse 3 der Abgasturbine 1. In dem spiralförmigen Gaseintrittgehäuse 3 werden sie beschleunigt und gelangen über den Düsenring 9 mit einem optimalen Strömungswinkel zum Turbinenrad 6. Dort werden die Abgase schliesslich entspannt. Sie geben dabei eine Leistung ab, welche dem Antrieb der Welle 5 und damit des Verdichterrades dient.

[0019] Unter aussergewöhnlichen Bedingungen ist ein Bersten des Turbinenrades 6 jedoch nicht zu verhindern. Weil beide Berstschutzeinrichtungen 16, 17 axial im Bereich des Turbinenrades 6 und radial ausserhalb desselben angeordnet sind, kann der Berstschutzring 16 in dieser Situation einen Grossteil der Berstenergie aufnehmen. Da er zudem mit Ausnahme des relativ schmalen Leitschaufelkanals 9 die gesamte Länge des Turbinenrades 6 abdeckt, können nur kleinere Turbinenbruchstücke in das Gaseintrittgehäuse 3 geschleudert werden. Grosse Bruchstücke, d.h. solche mit grosser kinetischer Energie, werden vom Berstschutzring 16 aufgehalten. Wenn kleinere Bruchstücke die Wand des Gaseintrittgehäuses 3 durchschlagen, so werden diese von der zweiten, d.h. der externen Berstschutzeinrichtung 17 aufgefangen, welche das Turbinenrad 6 in seiner gesamten axialen Ausdehnung abdeckt. Somit kann durch die Kombination interner und externer Berstschutzeinrichtungen 16, 17 auch bei sehr grossen freiwerdenden Energien ein Herausschleudern von Turbinenteilen in die Umgebung verhindert werden.

[0020] In einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist ausser der ersten und der zweiten Berstschutzeinrichtung 16, 17 eine dritte Berstschutzeinrichtung 19 gasaustrittgehäuseseitig des Berstschutzrings 16 im Hohlraum 15 angeordnet. Diese dritte Berstschutzeinrichtung 19 ist als Stahldrahtseil-Paket ausgebildet, welches aus mehreren parallel zur Umlaufrichtung des Turbinenrades 6 und in einer Reihe nebeneinander angeordneten Stahldrahtseilen 20 besteht (Fig. 2). Der Gasaustrittflansch 4 weist in seiner Ausnehmung 14 vier parallel zur Drehachse 21 des Turbinenrades 6 angeordnete Rippen 22 auf, mit denen das Stahldrahtseil-Paket 19 formschlüssig verbunden ist (Fig. 3). Diese Rippen wirken versteifend, so dass ein zusätzlicher Berstschutz erreicht wird.

[0021] Der Einsatz einer dritten Berstschutzeinrichtung 19 verringert die Wahrscheinlichkeit des Austretens von Turbinenteilen aus dem Turbinengehäuse 2 weiter und erhöht somit die Sicherheit des Abgasturboladers. Durch die Ausbildung der Rippen 22 des Gasaustrittflanschs 4 und deren formschlüssige Verbindung mit dem Stahldrahtseil-Paket 19, werden sowohl eine einfache Montage als auch sichere Befestigung des Stahldrahtseil-Pakets 19 erreicht.

[0022] Natürlich können auch mehrere Reihen von Stahldrahtseilen 20 radial übereinander angeordnet werden, was die abschirmende Wirkung der dritten Berstschutzeinrichtung 19 noch verstärkt.

Bezugszeichenliste

[0023] 

1

Abgasturbine, Radialturbine

2

Turbinengehäuse

3

Gaseintrittgehäuse

4

Gasaustrittgehäuse, Gasaustrittflansch

5

Welle

6

Turbinenrad

7

Laufschaufel

8

Leitschaufelkanal

9

Düsenring

10

Lager

11

Lagergehäuse

12

Spannband

13

Schraube

14

Ausnehmung

15

Hohlraum

16

erste Berstschutzeinrichtung, Berstschutzring

17

zweite Berstschutzeinrichtung, Blechhülle

18

Schraube

19

dritte Berstschutzeinrichtung, Stahldrahtseil-Paket

20

Stahldrahtseil

21

Drehachse

22

Rippe

Ansprüche

1. Berstschutzvorrichtung für die Radialturbine eines Turboladers, vorzugsweise eines Abgasturboladers, mit einem hauptsächlich aus einem Gaseintrittgehäuse (3) und einem Gasaustrittgehäuse (4) bestehenden Turbinengehäuse (2), einem auf einer Welle (5) drehbar gelagerten Turbinenrad (6) sowie einem zwischen Gaseintritt- (3) und Gasaustrittgehäuse (4) ausgebildeten Leitschaufelkanal (8), dadurch gekennzeichnet, dass radial zwischen Gaseintritt- (3) und Gasaustrittgehäuse (4), jedoch mit Ausnahme des Leitschaufelkanals (8), eine erste Berstschutzeinrichtung (16) angeordnet sowie am Gaseintrittgehäuse (3) eine zweite Berstschutzeinrichtung (17) ausgebildet und beide Berstschutzeinrichtungen (16, 17) axial im Bereich des Turbinenrades (6) angeordnet sind.

2. Berstschutzvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Berstschutzeinrichtung (16) als umlaufender Berstschutzring und die zweite Berstschutzeinrichtung (17) als spiralförmige Blechhülle ausgebildet ist.

3. Berstschutzvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich die zweite Berstschutzeinrichtung (17) zumindest über die axiale Ausdehnung des Turbinenrades (6) erstreckt und der Berstschutzring (16) gasaustrittseitig zumindest die axiale Ausdehnung des Turbinenrades (6) abdeckt.

4. Berstschutzvorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Gaseintritt- (3) sowie das Gasaustrittgehäuse (4) in ihrem Verbindungsbereich jeweils eine Ausnehmung (14) aufweisen, beide Ausnehmungen (14) einen gemeinsamen Hohlraum (15) bilden und der Berstschutzring (16) in diesem Hohlraum (15) angeordnet ist.

5. Berstschutzvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Berstschutzring (16) lose im Hohlraum (15) angeordnet ist.

6. Berstschutzvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Berstschutzeinrichtung (17) kraftschlüssig mit dem Gaseintrittgehäuse (3) verbunden ist.

7. Berstschutzvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine dritte Berstschutzeinrichtung (19) ausgebildet und ebenfalls im Hohlraum (15) angeordnet ist.

8. Berstschutzvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die dritte Berstschutzeinrichtung (19) als Stahldrahtseil-Paket ausgebildet und gasaustrittgehäuseseitig des Berstschutzrings (16) angeordnet ist.

9. Berstschutzvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Stahldrahtseil-Paket (19) aus mehreren Stahldrahtseilen (20) besteht, welche parallel zur Umlaufrichtung des Turbinenrades (6) und in zumindest einer Reihe nebeneinander angeordnet sind.

10. Berstschutzvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass in der Ausnehmung (14) des Gasaustrittgehäuses (4) zumindest zwei parallel zur Drehachse (21) des Turbinenrades (6) angeordnete Rippen (22) ausgebildet sind und das Stahldrahtseil-Paket (19) formschlüssig mit den Rippen (22) verbunden ist.

Zeichnung