Axialturbine mit Berstschutz

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Axialturbine eines Abgasturboladers mit einem aus einem Turbinenzuströmgehäuse mit einer gasaustrittseitigen Wand und einem Turbinenabströmgehäuse mit einer gaseintrittseitigen Wand ausgebildeten Turbinengehäuse, in diesem eine von einer Welle getragene Turbinenscheibe mit Laufschaufeln angeordnet ist, die Turbinenscheibe nach aussen von einem Abgasdiffusor unter Ausbildung eines Strömungskanals begrenzt ist und bei der im Turbinengehäuse im axialen Bereich der Turbinenscheibe ein Berstschutz vorgesehen ist.

[0002] Um hohe Ladedrücke zu erreichen, drehen heutige Abgasturbolader mit sehr hohen Umfangsgeschwindigkeiten. Insbesondere bei grossen Abgasturboladern führt dies dazu, dass die Bruchstücke einer eventuell geborstenen Turbinenscheibe, bzw. einer Laufschaufel nur durch aufwendige konstruktive Massnahmen im Turbinengehäuse zurückgehalten werden können.

[0003] In der Vergangenheit war bereits im Turbinengehäuse ein sich axial im Bereich der Turbinenscheibe erstreckender Schutz- oder Berstring vorgesehen.

[0004] Der grundsätzliche Aufbau und die Wirkungsweise derartiger Axialturbinen für Abgasturbolader sind an sich bekannt und bedürfen daher im vorliegenden Zusammenhang keiner näheren Erläuterung mehr. So ist beispielsweise in der EP 0 806 547 A1 eine gattungsbildende Axialturbine beschrieben, bei der die gaseintrittseitige Wand des Turbinenabströmgehäuses die Funktion eines Berstschutzes für die Turbinenscheibe übernimmt. Dazu ist der Berstschutz als Ring in Form eines integralen, sich im wesentlichen radial erstreckenden Bestandteils der gaseintrittseitigen Wand des Turbinenabströmgehäuses ausgebildet und entweder direkt oder über ein stromauf angeordnetes axiales Verlängerungsstück mit dem Turbinenzuströmgehäuse verbunden.

[0005] Im Verlauf der Entwicklung von axial durchströmten Turbinen für Abgasturbolader ging jedoch der Trend von langen schmalen Laufschaufeln hin zu kurzen breiten, sogenannten "wide cord"-Schaufeln mit reduzierter Schaufelzahl. Dadurch werden die einzelnen Laufschaufeln schwerer und die Turbinenscheiben, die diese Schaufeln auch bei hohen Umfangsgeschwindigkeiten sicher halten müssen, breiter. Diese Massnahmen führen natürlich dazu, dass die rotierenden Massen grösser werden. In Verbindung mit den heute üblichen hohen Umfangsgeschwindigkeiten entstehen dadurch erheblich gesteigerte Zentrifugalkräfte, denen durch eine bessere Ausführung von Schutzmassnahmen Rechnung getragen werden muss.

[0006] In der Vergangenheit war ein voran beschriebener Berstschutz in Form eines Berstschutzringes als ein integraler Bestandteil des Turbinenabströmgehäuses oder ein Abdeckring für die Turbinenscheibe, der beispielsweise mittels eines Klemmringes am Diffusor angeschraubt ist, ein ausreichendes Mittel, um gebrochene Laufschaufeln am Ausdringen aus dem Turbinengehäuse zu hindern.

[0007] Durch die gestiegenen Anforderungen reicht die voran beschriebene Massnahme jedoch nicht mehr aus, um einen sicheren Berstschutz zu gewährleisten, der ein Durchschlagen der Aussenwand des Turbinengehäuses zuverlässig verhindert und eine Gefährdung von Personen oder eine Beschädigung benachbarter Maschinenteile ausschliesst.

[0008] Hiervon ausgehend ist es daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Axialturbine eingangs erwähnter Art mit einfachen und kostengünstigen Mitteln so weiterzubilden, dass das Austreten von Bruchstücken einer geborstenen Turbinenscheibe oder eines geborstenen Laufrades aus dem Turbinengehäuse auch bei extrem hohen Umfangsgeschwindigkeiten verhindert werden kann, ohne einen zusätzlichen Berstschutz ausserhalb des Turbinengehäuses vorsehen zu müssen.

[0009] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

[0010] Dadurch, dass die Aussenwand des Abgasdiffusors im axialen Bereich der Turbinenscheibe in radialer Richtung mit einer Aussen- und einer Innenkontur ausgeführt ist und zwischen der Aussen- und Innenkontur eine ringförmige Stützwandung vorgesehen ist, wobei die Aussenkontur in Form eines ringförmigen Verlängerungsstücks ausgeführt ist, das über den axialen Bereich der Turbinenscheibe gezogen ausgestaltet ist, dass ein zwischen Stützwandung und Innenkontur des Abgasdiffusors angeordneter Abdeckring für die Turbinenscheibe vorgesehen ist, und dass Turbinenzuström- und Turbinenabströmgehäuse derart miteinander verbunden sind, dass die gaseintrittseitige Wand des Turbinenabströmgehäuses in radialer Richtung über der Mittelebene der Turbinenscheibe steht, wird ein dreistufiger Berstschutz in der Axialturbine erreicht, der alle Anforderungen erfüllt.

[0011] Im Falle eines Bruches der Turbinenscheibe oder einer Turbinenschaufel werden die Bruchstücke zuerst (1. Stufe) an den Abdeckring an der Stützwandung des Abgasdiffusors geschleudert. Sind die Bruchstücke so gross, dass Abdeckring und Stützwandung den Beanspruchungen nicht standhalten, so wird durch deren Bruch ein Teil der kinetischen Energie der Bruchstücke dissipiert.

[0012] Zumindest ist der Abdeckring deshalb aus einem nicht spröden Material wie Stahl oder einer Stahllegierung gefertigt, während die anderen Teile der Axialturbine weiterhin in bekannter Weise aus Gussteilen bestehen können, so dass diese Energiedissipation optimiert ist. Auch zum gleichen Zweck ist der Abdeckring sich an der Stützwandung abstützend mittels flexibler Verbindungselemente am Abgasdiffusor fixiert.

[0013] In der zweiten Stufe treffen die Bruchstücke radial nach aussen auf das ringförmige Verlängerungsstück der Aussenkontur des Abgasdiffusors. Dieses ringförmige, bzw. zylinderförmige Verlängerungsstück kann dadurch, dass es über den axialen Bereich der Turbinenscheibe gezogen ausgestaltet ist, einen wesentlichen Teil der Bewegungsenergie der Bruchstücke aufnehmen. Dazu ist in bevorzugter Weise das ringförmige Verlängerungsstück der Aussenkontur des Abgasdiffusors mittels radial angeordneter Rippen verstärkt.

[0014] In der dritten Stufe wird die restliche Energie der Bruchstücke durch die in radialer Richtung genau über der Mittelebene der Turbinenscheibe stehenden gaseintrittseitigen Wand des Turbinenabströmgehäuses aufgenommen, wobei eine massive Flanschverbindung zwischen Turbinenzuströmgehäuse, Diffusoraussenwand und Turbinenabströmgehäuse bevorzugt starr ausgeführt ist.

[0015] Die Erfindung soll nachfolgend aus einer Beispielsbeschreibung anhand der Zeichnung näher erläutert werden.

[0016] Die nachstehend beschriebene Zeichnung zeigt einen Teillängsschnitt durch eine erfindungsgemässe Axialturbine eines Abgasturboladers. Es sind dabei nur die für das Verständnis der Erfindung wesentlichen Element dargestellt und bezeichnet. Nicht dargestellt ist beispielsweise die Verdichterseite des Abgasturboladers. Die Strömungsrichtung des Abgases ist mittels Pfeilen angedeutet.

[0017] Der Abgasturbolader der in der Zeichnung zugrundeliegenden Art umfasst eine Axialturbine 1, die ein aus einem Turbinenzuströmgehäuse 2 mit einer gasaustrittseitigen Wand 3 und einem Turbinenabströmgehäuse 4 mit einer gaseintrittseitigen Wand 5 zusammengesetztes Turbinengehäuse besitzt. Im Turbinengehäuse ist eine von einer Welle 6 getragene Turbinenscheibe 7 mit Laufschaufeln 8 angeordnet.

[0018] Die Laufschaufeln 8 der Turbinenscheibe 7 werden nach aussen von einem Abgasdiffusor 9 begrenzt und von diesem in einem Strömungskanal 14 aufgenommen. Die Aussenwand 10 des Abgasduffusors 9 ist im axialen Bereich der Turbinenscheibe 7 in radialer Richtung mit einer Aussen- 11 und einer Innenkontur 12 ausgeführt. Zwischen der Aussen- 11 und Innenkontur 12 ist eine zylindrische, bzw. ringförmige Stützwandung 13 angeformt, wobei die Aussenkontur 11 in Form eines ringförmigen, bzw. zylindrischen Verlängerungsstückes ausgeführt ist, das über den axialen Bereich der Turbinenscheibe 7 gezogen ausgestaltet ist.

[0019] Zwischen der Turbinenscheibe 7 und dem Turbinengehäuse ist der Strömungskanal 14 ausgebildet, der die Abgase eines hier nicht dargestellten Motors aufnimmt und in bekannter Weise zu den Laufschaufeln 8 der Turbinenscheibe 7 weiterführt. Stromauf im Strömungskanal 14 ist ein einen Aussen- 15 und einen Innenring 16 umfassender Düsenring eingelegt, der mittels Verbindungselementen 17 und Flanschen 18 an Aussen- 15 und Innenring 16 mit dem Turbinenzuströmgehäuse 2 verbunden ist.

[0020] Axial zwischen Düsenring 15, 16 und Abgasdiffusor 9 ist ein Abdeckring 19 für die Laufschaufeln 8 der Turbinenscheibe 7 den Strömungskanal 14 an der Innenkontur 12 des Abgasdiffusors 9 abdichtend eingespannt, derart dass der Düsenring sowohl zwischen seinem Aussenring 15 und Abdeckring 19 einen Spalt 28 als auch zwischen seinem Innenring 16 und der Turbinenscheibe 7 einen Spalt 20 ausbildet. Ein weiterer Spalt 21 ist zwischen Turbinenscheibe 7 und der Innenwand 22 des Abgasdiffusors 9 in bekannter Weise belassen.

[0021] Der Abdeckring 19 ist sich an der Stützwandung 13 des Abgasdiffusors 9 abstützend mittels flexibler Verbindungselemente 27, bspw. Dehnschrauben, am Abgasdiffusor 9 fixiert.

[0022] Das Turbinenzuström- 2 und Turbinenabströmgehäuse 4 sind derart miteinander verbunden, dass die gaseintrittseitige Wand 5 des Turbinenabströmgehäuses 4 in radialer Richtung genau fluchtend über der Mittelebene 23 der Turbinenscheibe 7 steht.

[0023] Das ringförmige Verlängerungsstück der Aussenkontur 11 des Abgasdiffusors 9 weist endseitig einen umlaufenden, oder mehrere einzelne Befestigungsflansch/e 24 auf, der/die in die Verbindung von Turbinenzuström- 2 und Turbinenabströmgehäuse 4 eingeklemmt und mittels starrer Verbindungselemente 25 mit diesen verschraubt ist.

[0024] Des weiteren ist das ringförmige Verlängerungsstück der Aussenkontur 11 mittels radial angeordneter Rippen 26 verstärkt.

Bezugszeichenliste

[0025] 

1

Axialturbine

2

Turbinenzuströmgehäuse

3

Gasaustrittseitige Wand

4

Turbinenabströmgehäuse

5

Gaseintrittseitige Wand

6

Welle

7

Turbinenscheibe

8

Laufschaufel

9

Abgasdiffusor

10

Aussenwand

11

Aussenkontur

12

Innenkontur

13

Stützwandung

14

Strömungskanal

15

Aussenring des Düsenrings

16

Innenring des Düsenrings

17

Verbindungselemente

18

Flansche

19

Abdeckring

20

Spalt

21

Spalt

22

Innenwand des Abgasdiffusors

23

Mittelebene

24

Befestigungsflansch

25

starres Verbindungselement

26

Rippen

27

flexibles Verbindungselement

28

Spalt

Ansprüche

1. Axialturbine (1) eines Abgasturboladers mit einem aus einem Turbinenzuströmgehäuse (2) mit einer gasaustrittseitigen Wand (3) und einem Turbinenabströmgehäuse (4) mit einer gaseintrittseitigen Wand (5) ausgebildeten Turbinengehäuse, in diesem eine von einer Welle (6) getragene Turbinenscheibe (7) mit Laufschaufeln (8) angeordnet ist, bei der die Turbinenscheibe (7) nach außen von einem Abgasdiffusor (9) unter Ausbildung eines Strömungskanals (14) begrenzt ist und bei der im Turbinengehäuse im axialen Bereich der Turbinenscheibe ein Berstschutz vorgesehen ist,
wobei die Außenwand (10) des Abgasdiffusors (9) im axialen Bereich der Turbinenscheibe (7) in radialer Richtung mit einer Außen- (11) und einer Innenkontur(12) ausgeführt ist und Turbinenzuström- (2) und Turbinenabströmgehäuse (4) derart miteinander verbunden sind, dass die gaseintrittseitige Wand (5) des Turbinenabströmgehäuses (4) in radialer Richtung über der Mittelebene (23) der Turbinenscheibe (7) steht,
wobei zwischen der Außen- (11) und Innenkontur (12) eine ringförmige Stützwandung (13) vorgesehen ist, und
wobei die Außenkontur (11) in Form eines ringförmigen Verlängerungsstücks ausgeführt ist, das über den axialen Bereich der Turbinenscheibe (7) gezogen ausgestaltet ist,
wobei ein zwischen Stützwandung (13) und Innenkontur (12) des Abgasdiffusors (9) angeordneter Abdeckring (19) für die Turbinenscheibe (7) und Laufschaufeln (8) vorgesehen ist.
dadurch gekennzeichnet,
dass der Abdeckring (19) sich an der Stützwandung (13) abstützend mittels flexibler Verbindungselemente (27) am Abgasdiffusor (9) fixiert ist.
dass zumindest der Abdeckring (19) des Abgasdiffusors (9) aus einem nicht spröden Material wie Stahl oder einer Stahllegierung gefertigt sind.

Claims

1. An axial turbine (1) of an exhaust-gas-driven turbo-charger comprising a turbine housing, which is formed by a turbine inflow housing (2) with a gas-outlet-side wall (3) and a turbine outflow housing (4) with a gas-inlet-side wall (5) and in which is disposed a turbine disk (7) carried by a shaft (6) and having rotating blades (8), wherein the turbine disk (7) is delimited in the outward direction by an exhaust gas diffuser (9) with the formation of a flow channel (14) and wherein in the turbine housing in the axial region of the turbine disk a rupture protection device is provided,
wherein the outer wall (10) of the exhaust gas diffuser (9) in the axial region of the turbine disk (7) is designed in the radial direction with an external contour (11) and an internal contour (12) and turbine inflow housing (2) and turbine outflow housing (4) are connected to one another in such a way that the gas-inlet-side wall (5) of the turbine outflow housing (4) is situated in the radial direction over the centre plane (23) of the turbine disk (7),
wherein an annular support wall (13) is provided between the external contour (11) and the internal contour (12), and
wherein the external contour (11) takes the form of an annular extension piece that is drawn over the axial region of the turbine disk (7),
wherein a cover ring (19) disposed between support wall (13) and internal contour (12) of the exhaust gas diffuser (9) is provided for the turbine disk (7) and rotating blades (8),
characterized in that
the cover ring (19) is fixed, so as to be supported against the support wall (13), by means of flexible connection elements (27) to the exhaust gas diffuser (9),
at least the cover ring (19) of the exhaust gas diffuser (9) is made of a non-brittle material such as steel or a steel alloy.

Revendications

1. Turbine axiale (1) d'un turbocompresseur d'échappement comportant un carter de turbine constitué d'un boîtier amont (2) avec une paroi du côté de sortie des gaz (3) et un boîtier aval (4) avec une paroi du côté d'entrée des gaz (5), dans lequel un disque de turbine (7) supporté par un arbre (6) avec des aubes (8) est disposé, dans laquelle le disque de turbine (7) est délimité vers l'extérieur par un diffuseur de gaz d'échappement (9) en formant un canal d'écoulement (14) et dans laquelle une protection contre l'éclatement est prévue dans le boîtier de turbine dans la zone axiale du disque de turbine,
dans laquelle la paroi externe (10) du diffuseur de gaz d'échappement (9) est configurée dans la zone axiale du disque de turbine (7) avec un contour extérieur (11) et un contour intérieur (12) dans la direction radiale et les boîtiers amont de turbine (2) et aval de turbine (4) sont reliés les uns aux autres de telle sorte que la paroi du côté de sortie des gaz (5) du boîtier aval de turbine (4) dépasse dans la direction radiale au-dessus du plan médian (23) du disque de turbine (7),
dans laquelle entre le contour extérieur (11) et intérieur (12) une paroi d'appui annuaire (13) est prévue et
dans laquelle le contour extérieur (11) est configuré sous la forme d'une pièce de prolongement annulaire, qui est étirée sur la zone axiale du disque de turbine (7),
dans laquelle une bague de recouvrement (19)
disposée entre la paroi d'appui (13) et le contour intérieur (12) du diffuseur de gaz d'échappement (9) est prévue pour le disque de turbine (7) et les pales (8),
caractérisée en ce que
la bague de recouvrement (19) est fixée au moyen d'éléments de liaison (27) flexibles sur le diffuseur de gaz d'échappement (9) en s'appuyant sur la paroi d'appui (13),
en ce que au moins la bague de recouvrement (19) du diffuseur de gaz d'échappement (9) est fabriquée dans un matériau non poreux comme l'acier ou un alliage d'acier.

Zeichnung