Technisches Gebiet
[0001] Die Erfindung betrifft die Abgasturbine eines Turboladers, mit einem im Einströmkanal
der Abgasturbine angeordneten, das Arbeitsmedium auf die Turbinenschaufeln leitenden
Düsenring.
Stand der Technik
[0002] Die Düsenringe der Abgasturbinen von Turboladern werden durch wechselnde Betriebsbedingungen,
d.h. Erhöhung oder Absenkung von Druck und Temperatur des Arbeitsmediums, hoch beansprucht.
In Abhängigkeit von der verwendeten Turbine und entsprechend den konkreten Einsatzbedingungen
kann das Arbeitsmedium einen grossen Temperaturgradienten aufweisen. Weil ein Düsenring
gegenüber den ihn umgebenden Turbinenbauteilen stets nur eine geringe Masse besitzt,
ist er relativ starken Temperaturdehnungen unterworfen.
[0003] Häufig erfolgt die Befestigung des Düsenrings durch einfaches Verklemmen im Gehäuse
der Abgasturbine. Da sich der Düsenring in diesem Fall nicht entsprechend ausdehnen
kann, kommt es zu Materialverwerfungen und Rissen, so dass ein solcher Düsenring keine
ausreichende Lebensdauer besitzt. Er muss demnach in relativ kurzen Zeitintervallen
ausgetauscht werden, was neben zusätzlichen Kosten auch einen Arbeitsausfall der Turbine
zur Folge hat.
[0004] Aus diesem Grund muss zwischen dem Düsenring und den ihn umgebenden Bauteilen ein
ausreichend grosser Dehnungsspalt ausgebildet werden. Bei einer solchen Lösung tritt
jedoch der Nachteil einer nicht unerheblichen Bypass-Strömung des Arbeitsmediums durch
den Dehnungsspalt hindurch auf. Dadurch kann es zu einer deutlichen Verringerung des
Wirkungsgrades der Turbine kommen.
[0005] Um diese Nachteile zu beseitigen wurde entsprechend der EP 00 24 275-A1 ein Düsenring
entwickelt, welcher sich sowohl in axialer als auch in radialer Richtung frei ausdehnen
kann und trotzdem einen verschliessbaren Dehnungsspalt aufweist. Dazu erfolgt die
Arretierung dieses Düsenrings hauptsächlich mittels eines elastischen Elements, welches
den Düsenring aufgrund einer Vorspannung ständig gegen dessen Sitz im Turbinengehäuse
drückt. Dabei erfolgt gleichzeitig eine Abdichtung des Dehnungsspalts.
[0006] Es hat sich jedoch gezeigt, dass die Vorspannung des elastischen Elements aufgrund
der hohen Temperaturen des Arbeitsmediums und des Düsenrings nachlässt. Die abnehmende
Vorspannung des elastischen Elements führt schliesslich dazu, dass der Düsenring nicht
mehr an seinem Sitz anliegt und der Dehnungsspalt wiederum eine Bypass-Strömung durchlässt.
Demnach kann auch bei dieser Lösung die Abdichtung des Dehnungsspaltes gegenüber einer
Bypass-Strömung nicht dauerhaft gewährleistet und damit eine zunehmende Verringerung
des Wirkungsgrades nicht verhindert werden.
Darstellung der Erfindung
[0007] Die Erfindung versucht, alle diese Nachteile zu vermeiden. Ihr liegt die Aufgabe
zugrunde, einen Düsenring für die Abgasturbine eines Turboladers zu schaffen, welcher
neben einer verbesserter Lebensdauer auch einen konstanten Wirkungsgrad garantiert.
[0008] Erfindungsgemäss wird dies dadurch erreicht, dass bei einer Vorrichtung gemäss dem
Oberbegriff des Anspruchs 1, zwischen dem Turbinengehäuse und dem Düsenring ein radialer
Dehnungsspalt ausgebildet und in diesem Dehnungsspalt zumindest eine Dichtung angeordnet
ist. Dabei besteht der Düsenring aus zwei in der Ausnehmung angeordneten Befestigungselementen,
welche über eine Anzahl von Leitschaufeln miteinander verbunden sind. Entweder in
zumindest einem der Befestigungselemente oder in zumindest einem der die Befestigungselemente
umgebenden Bauteile des Turbinengehäuses ist eine die Dichtung aufnehmende, umlaufende
Nut ausgebildet.
[0009] Beim Betrieb des Turboladers erlaubt der zwischen dem Düsenring und dem Turbinengehäuse
ausgebildete radiale Dehnungsspalt eine freie Ausdehnung des Düsenrings sowohl in
axiale als auch in radiale Richtung. Gleichzeitig wird die Dichtung aufgrund des Abgasdruckes
der mit dem Turbolader verbundenen Brennkraftmaschine gegen die Nut gedrückt, wodurch
eine weitgehende Abdichtung des Dehnungsspaltes erreicht wird. Auf diese Weise wird
einerseits ein ausreichendes Spiel für die Wärmedehnung des Düsenrings und andererseits
eine geeignete Abdichtung der Bypass-Strömung gewährleistet.
[0010] Es ist besonders zweckmässig, wenn die umlaufende Nut in Strömungsrichtung der Abgase
ausgerichtet ist. Dadurch kann eine besonders grosse Dichtfläche realisiert werden,
was eine verbesserte Abdichtung und damit einen höheren Turbinenwirkungsgrad zur Folge
hat.
[0011] Entsprechend den konkreten Platzverhältnissen im Bereich des Düsenrings kann die
Dichtung jeweils zwischen dem Düsenring und entweder dem Gaseintrittgehäuse, dem turbinenseitigen
Gehäusebauteil oder dem Gasaustrittgehäuse angeordnet werden.
[0012] Die Dichtung ist als Lamellenring ausgebildet. Besonders vorteilhaft ist ein aus
einem ausreichend hitzebeständigen Werkstoff, wie beispielsweise Chromnickelstahl
bestehender Doppel-Lamellenring. Eine solche Dichtung umschliesst einen Winkel von
720°. Sie kann daher nicht nur hohen Temperaturen von bis zu 750°C unbeschadet widerstehen
sondern sorgt auch für eine verbesserte Abdichtung des Dehnungsspaltes. Damit kann
der Turbinenwirkungsgrad nochmals gesteigert und auch die Standzeit des Düsenrings
erhöht werden.
[0013] Alternativ dazu ist die Dichtung als ebenfalls aus einem ausreichend hitzebeständigen
Werkstoff bestehender Kolbenring ausgebildet. Damit ist eine weitere Möglichkeit zur
Abdichtung des Dehnungsspaltes gegeben, welche entsprechend den konkreten Einsatzbedingungen
zur Verfügung steht.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
[0014] In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer mit einem
Düsenring versehenen Radialturbine eines Turboladers dargestellt.
[0015] Es zeigen:
- Fig. 1
- einen Teillängsschnitt der Radialturbine;
- Fig. 2
- einen vergrösserten Ausschnitt von Fig. 1, im Bereich des Düsenrings;
- Fig. 3
- einen Längsschnitt durch die erfindungsgemässe Dichtung, entsprechend Fig. 1, jedoch
vergrössert dargestellt;
- Fig. 4
- eine Darstellung entsprechend Fig. 2, jedoch in einem zweiten Ausführungsbeispiel;
- Fig. 5
- eine Darstellung entsprechend Fig. 2, jedoch in einem dritten Ausführungsbeispiel.
[0016] Es sind nur die für das Verständnis der Erfindung wesentlichen Elemente gezeigt.
Nicht dargestellt sind von der Anlage beispielsweise die Verdichterseite des Abgasturboladers
und die mit der Radialturbine verbundene Brennkraftmaschine. Die Strömungsrichtung
des Arbeitsmittels ist mit Pfeilen bezeichnet.
Weg zur Ausführung der Erfindung
[0017] 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, einem als Gasaustrittflansch
ausgebildeten Gasaustrittgehäuse 4 und einem als Zwischenwand ausgebildeten, turbinenseitigen
Gehäusebauteil 5. Im Turbinengehäuse 2 ist ein von einer Welle 6 getragenes Turbinenrad
7 mit Laufschaufeln 8 drehbar gelagert. Verdichterseitig ist auf der Welle 6 ein ebenfalls
nicht dargestelltes Verdichterrad angeordnet.
[0018] Das Gaseintrittgehäuse 3 geht stromab in einen Einströmkanal 9 für die Abgase 10
einer mit dem Abgasturbolader verbundenen, gleichfalls nicht dargestellten Brennkraftmaschine
über. Im Einströmkanal 9 ist ein Düsenring 11 formschlüssig zwischen dem Gaseintrittgehäuse
3 und dem Gasaustrittflansch 4 sowie der Zwischenwand 5 angeordnet. Die Welle 6 ist
mittels Lagern 12 in einem Lagergehäuse 13 drehbar gelagert. Das Gaseintrittgehäuse
3 und das Lagergehäuse 13 sind über ein in Umfangsrichtung angeordnetes Spannband
14 miteinander verbunden. Der Gasaustrittflansch 4 und das Gaseintrittgehäuse 3 sind
durch Schrauben 15 lösbar aneinander befestigt (Fig. 1).
[0019] Der Düsenring 11 besteht aus zwei ringförmigen Befestigungselementen 16, 17, welche
über eine Anzahl von Leitschaufeln 18 miteinander verbunden sind. Zur Aufnahme des
Düsenrings 11 weist das Turbinengehäuse 2 im Bereich des Übergangs vom Gaseintrittgehäuse
3 zum Gasaustrittflansch 4 bzw. zur Zwischenwand 5 eine Ausnehmung 19 auf. In dieser
Ausnehmung 19, d.h. zwischen dem Düsenring 11 und dem Turbinengehäuse 2, ist ein radialer
Dehnungsspalt 20 ausgebildet, welcher sowohl die axiale als auch die radiale Ausdehnung
des Düsenrings 11 erlaubt. Gaseintrittseitig des Düsenrings 11 ist im Befestigungselement
17 eine umlaufende Nut 21 angeordnet und in Strömungsrichtung der Abgase 10 ausgerichtet.
Die Nut 21 nimmt eine als Doppel-Lamellenring ausgebildete, d.h. einen Winkel von
720° umschliessende Dichtung 22 auf. Der Doppel-Lamellenring 22 besteht aus Chromnickelstahl,
wobei natürlich auch andere hitzebeständige Werkstoffe Verwendung finden können. Sowohl
in der Nut 21 als auch in der Ausnehmung 19 des Turbinengehäuses 2 ist jeweils eine
Dichtfläche 23, 24 für den Doppel-Lamellenring 22 angeordnet (Fig. 2). In Abhängigkeit
von den Dichtungsanforderung und den Platzverhältnissen können selbstverständlich
auch ein einfacher oder ein dreifacher Lamellenring verwendet werden.
[0020] In Figur 3 ist ein Längsschnitt durch den in Figur angedeuteten und zudem nur teilweise
dargestellten Doppel-Lamellenring 22 gezeigt. Aus Gründen der Übersichtlichkeit wurde
dazu eine vergrösserte Darstellung gewählt.
[0021] Zur Montage des Doppel-Lamellenrings 22 wird dieser gemeinsam mit dem Düsenring 11
auf einen leicht kleineren Aussendurchmesser 25 der Ausnehmung 19 geschoben. Dadurch
entsteht eine Vorspannung des Doppel-Lamellenrings 22, wodurch dieser stets an der
Dichtfläche 24 anliegt. Um das Aufziehen des Doppel-Lamellenrings 22 zu erleichtern
ist die Ausnehmung 19 im Bereich des Gaseintrittgehäuses 3 mit einer Abschrägung 26
versehen.
[0022] Beim Betrieb der mit dem Abgasturbolader verbundenen, als Dieselmotor ausgebildeten
Brennkraftmaschine gelangen deren Abgase 10 zunächst in das spiralförmige Gaseintrittgehäuse
3 der Radialturbine 1. Im Gaseintrittgehäuse 3 werden sie beschleunigt und über den
Düsenring 11 mit einem optimalen Strömungswinkel zum Turbinenrad 7 geleitet. Dort
werden die Abgase 10 schliesslich entspannt. Sie geben dabei eine Leistung ab, welche
dem Antrieb der Welle 6 und damit des Verdichterrades dient.
[0023] Aufgrund der Ausbildung des radialen Dehnungsspaltes 20 kann sich der Düsenring 11
sowohl in axiale als auch in radiale Richtung frei ausdehnen. Dabei drückt der über
den Einströmkanal 9 und den Dehnungsspalt 20 einwirkende Abgasdruck den Doppel-Lamellenring
22 stets an die Dichtfläche 23 der Nut 21. Demzufolge wird eine weitgehende Abdichtung
des Dehnungsspaltes 20 erreicht. Bei entsprechenden Prüfstandsversuchen konnten Wirkungsgradgewinne
von bis zu drei Punkten gegenüber Varianten ohne Abdichtung des Dehnungsspaltes 20
festgestellt werden.
[0024] In einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die umlaufende Nut 21 im Gasaustrittflansch
4 ausgebildet (Fig. 4). Damit ist eine zweite Variante zur Anordnung der Dichtung
22 gegeben, welche bei entsprechenden konstruktiven Voraussetzungen zur Anwendung
kommt. Im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel ist ausser der in der Nut 21
angeordneten Dichtfläche 23 eine zweite Dichtfläche 27 am Befestigungselement 17 des
Düsenrings 11 ausgebildet. Die Funktion dieses Doppel-Lamellenrings 22 ist analog
dem ersten Ausführungsbeispiel. Natürlich kann die umlaufende Nut 21 auch im Befestigungselement
16 oder in der Zwischenwand 5, d.h. ebenfalls gaseintritt- bzw. gasaustrittseitig
des Düsenrings 11, ausgebildet werden (nicht dargestellt).
[0025] Gemäss Figur 5 ist in einem dritten Ausführungsbeispiel eine als Kolbenring ausgebildete
Dichtung 28 gaseintrittseitig des Düsenrings 11, zwischen dessen Befestigungselement
17 sowie dem Gaseintrittgehäuse 3, angeordnet. Der Kolbenring 28 wird von einer entsprechend
angepassten Nut 29 aufgenommen. Sowohl in der Nut 29 als auch in der Ausnehmung 19
des Turbinengehäuses 2 ist jeweils eine Dichtfläche 30, 31 für den Kolbenring 28 angeordnet.
Um eine gute Abdichtung zu gewährleisten, kommt ein Kolbenring 28 mit verhaktem Stoss
zum Einsatz (nicht dargestellt). Alle weiteren Bauteile der Radialturbine 1 sind analog
dem ersten Ausführungsbeispiel ausgebildet. Die Funktion des Kolbenrings 28 entspricht
der Funktion des Doppel-Lamellenrings 22.
Bezugszeichenliste
[0026]
- 1
- Abgasturbine, Radialturbine
- 2
- Turbinengehäuse
- 3
- Gaseintrittgehäuse
- 4
- Gasaustrittgehäuse, Gasaustrittflansch
- 5
- turbinenseitiger Gehäusebauteil, Zwischenwand
- 6
- Welle
- 7
- Turbinenrad
- 8
- Laufschaufel
- 9
- Einströmkanal
- 10
- Abgas
- 11
- Düsenring
- 12
- Lager
- 13
- Lagergehäuse
- 14
- Spannband
- 15
- Schraube
- 16
- Befestigungselement
- 17
- Befestigungselement
- 18
- Leitschaufel
- 19
- Ausnehmung
- 20
- Dehnungsspalt
- 21
- Nut
- 22
- Dichtung, Doppel-Lamellenring
- 23
- Dichtfläche, von 21
- 24
- Dichtfläche, von 19
- 25
- Aussendurchmesser
- 26
- Abschrägung
- 27
- Dichtfläche, von 17
- 28
- Dichtung, Kolbenring
- 29
- Nut
- 30
- Dichtfläche, von 29
- 31
- Dichtfläche, von 19
1. Abgasturbine eines Turboladers, mit einem aus einem Gaseintrittgehäuse (3), einem
Gasaustrittgehäuse (4) sowie zumindest einem turbinenseitigen Gehäusebauteil (5) bestehenden
Turbinengehäuse (2), einem auf einer Welle (6) drehbar gelagerten Turbinenrad (7)
mit Laufschaufeln (8), einem im Turbinengehäuse (2), stromauf des Turbinenrades (7)
ausgebildeten Einströmkanal (9) für die Abgase (10) einer mit dem Turbolader verbundenen
Brennkraftmaschine sowie mit einem im Einströmkanal (9) angeordneten, in einer Ausnehmung
(19) des Turbinengehäuses (2) befestigten, die Abgase (10) auf die Laufschaufeln (8)
leitenden Düsenring (11), dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Turbinengehäuse
(2) und dem Düsenring (11) ein radialer Dehnungsspalt (20) ausgebildet und im Dehnungsspalt
(20) zumindest eine Dichtung (22, 28) angeordnet ist.
2. Abgasturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Düsenring (11) aus
zwei in der Ausnehmung (19) angeordneten Befestigungselementen (16, 17) besteht, welche
über eine Anzahl von Leitschaufeln (18) miteinander verbunden sind und entweder in
zumindest einem der Befestigungselemente (16, 17) oder in zumindest einem der die
Befestigungselemente (16, 17) umgebenden Bauteile (3, 4, 5) des Turbinengehäuses (2)
eine die Dichtung (22, 28) aufnehmende, umlaufende Nut (21) ausgebildet ist.
3. Abgasturbine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die umlaufende Nut (21)
in Strömungsrichtung der Abgase (10) ausgerichtet ist.
4. Abgasturbine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtung (22, 28) zwischen
dem Gaseintrittgehäuse (3) und dem Düsenring (11) angeordnet ist.
5. Abgasturbine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtung (22, 28) zwischen
dem turbinenseitigen Gehäusebauteil (5) und dem Düsenring (11) angeordnet ist.
6. Abgasturbine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtung (22, 28) zwischen
dem Gasaustrittgehäuse (4) und dem Düsenring (11) angeordnet ist.
7. Abgasturbine nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtung
(22) als Lamellenring, insbesondere als Doppel-Lamellenring, ausgebildet ist.
8. Abgasturbine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Lamellenring (22) aus
einem ausreichend hitzebeständigen Werkstoff, insbesondere aus Chromnickelstahl besteht.
9. Abgasturbine nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtung
(28) als Kolbenring ausgebildet ist.
10. Abgasturbine nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolbenring (28) aus
einem ausreichend hitzebeständigen Werkstoff, insbesondere aus Chromnickelstahl besteht.