Berstschutzvorrichtung für Radialverdichter

Abstract

 Die Berstschutzvorrichtung des Verdichters eines Abgasturboladers weist zwei Rückhalteelemente (21, 31) auf, welche im Fall des Berstens des Verdichterrades nacheinander, also zeitlich und räumlich getrennt voneinander zur Wirkung gelangen. Die Einsatzwand (10) verschiebt sich in axialer Richtung und ein Rückhaltevorsprung (11) greift nacheinander in den beiden Rückhalteelementen ein.
Dadurch wird die Energie stufenweise abgebaut und gleichzeitig verhindert, dass die wirkenden Kräfte auf ein unkontrollierbar hohes Niveau ansteigen.

Beschreibung

Technisches Gebiet

[0001] Die Erfindung betrifft eine Berstschutzvorrichtung für den Radialverdichter eines Abgasturboladers, wie sie durch die Merkmale des Oberbegriffes des Anspruchs 1 beschrieben ist sowie einen Radialverdichter und einen Abgasturbolader mit einer solchen Berstschutzvorrichtung.

Stand der Technik

[0002] In Abgasturboladern werden Radialverdichter eingesetzt, die mit hoher Umfangsgeschwindigkeit rotieren. Im Bauteil ist dadurch eine hohe kinetische Energie gespeichert. Mit den zunehmenden Anforderungen an Abgasturbolader hinsichtlich der Druckverhältnisse, ist auch die Gefahr des Berstens des Verdichterrades infolge immensen Fliehkräften gestiegen. Damit weder Personen noch Sachwerte gefährdet werden, wird gefordert, dass im Fall des Berstens des Verdichterrades keine Trümmer mit ihrer grossen kinetischen Energie durch die das Rad umschliessenden Gehäuse nach aussen gelangen.

[0003] WO 02/090722 A1 beschreibt eine Berstschutzvorrichtung für einen Radialverdichter eines Turboladers, bei der das Verdichterrad von Gehäuseteilen umgeben ist, die in der Lage sind, die im Verdichterrad gespeicherte Energie aufzunehmen. Das Verhindern von aus dem Verdichtergehäuse austretenden Bruchstücken wird als ,Containment' bezeichnet. Beim Bersten des Verdichterrades werden die das Verdichterrad umschliessenden Gehäuseteile, insbesondere die den Strömungskanal begrenzende Einsatzwand des Verdichters, in mindestens zwei Teile zertrennt. Einen radialen Teil im Bereich der Strömungsumlenkung aus der axialen in die radiale sowie einen axialen Ring, welcher den Eintrittsbereich stromauf des Verdichterrades umschliesst. Ein grosser Teil der Energie wird über radial auf die Einsatzwand einwirkenden Kräfte abgebaut. Beim Bersten des Verdichterrades entstehen aber auch Axialkräfte. Diese können dazu führen, dass Teile des Verdichtergehäuses axial in Richtung Verdichtereintritt verschoben werden. Um eine unzulässige Verschiebung zu verhindern werden im allgemeinen axial wirkende Verschraubungen oder formschlüssige Elemente verwendet. Die aus WO 02/090722 bekannte Berstschutzvorrichtung weist Bremsen auf, die auf sich axial verschiebende Gehäuseteile wirken und abbremsen sollen. Dabei wird die Einsatzwand an einer Rippe einer Verdichtergehäuse-Zwischenwand oder gleichzeitig an mehreren Rippen gebremst.

[0004] Da die im Schadensfall wirkenden Kräfte nicht genau bekannt sind, ist die richtige Dimensionierung der Bremselemente, die auf die Bauteile wirken und sie axial zurückhalten sollen, keine leichte Aufgabe. Sind die Elemente überdimensioniert, können zu hohe Kräfte entstehen, die nicht beherrscht werden können. Sind sie hingegen unterdimensioniert, dürfte die Rückhaltewirkung nicht ausreichen um das Austreten einzelner Verdichterradteile in axialer Richtung aus dem Gehäuse zu verhindern.

Kurze Darstellung der Erfindung

[0005] Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Berstschutzvorrichtung für einen Radialverdichter eines Abgasturboladers zu schaffen, mit der die axiale Verschiebung von Verdichtergehäuseteilen auch ohne exakte Kenntnis der wirkenden Kräfte in einem vorgegebenen Bauraum begrenzt werden kann.

[0006] Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Berstschutzvorrichtung eines Radialverdichters eines Turboladers gemäss den Merkmalen des Anspruches 1.

[0007] Erfindungsgemäss wird das Ziel dadurch erreicht, dass zwei oder mehrere Rückhaltemassnahmen nacheinander, also zeitlich und räumlich getrennt voneinander zur Wirkung gelangen. Dadurch wird die Energie stufenweise abgebaut und gleichzeitig verhindert, dass die wirkenden Kräfte auf ein unkontrollierbar hohes Niveau ansteigen.

[0008] Sollte ein erstes Rückhalteelement überwunden werden, so verschiebt sich der von der restlichen Einsatzwand getrennte, axiale Ring in axialer Richtung weg von der Turbinenwelle, bis ein zweites Rückhalteelement in Eingriff kommt.

[0009] Der sich verschiebenden Einsatzwand bleibt nach dem Eingreifen des ersten Rückhalteelements und bevor ein zweites Rückhalteelement zum Eingriff kommt für die axiale Verschiebung ausreichend Platz. Damit ist innerhalb des Verdichtergehäuses genügend Platz vorhanden, um die kinetische Energie des geborstenen Verdichterrades abzubauen.

[0010] Bei Bedarf können dritte oder weitere Rückhalteelemente in Eingriff gebracht werden.

[0011] Ein erfindungsgemässer Turbolader mit einem Radialverdichter, der eine oben beschriebene erfindungsgemässe Berstschutzvorrichtung aufweist, stellt im Falle eines Verdichterradberstens eine geringere Gefahr für sich beim Turbolader aufhaltende Menschen und benachbarte Anlagen dar.

[0012] Weitere Vorteile ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

[0013] Nachfolgend wird die erfindungsgemässe Berstschutzvorrichtung anhand von Figuren genauer erläutert. Hierbei zeigt

Fig. 1

einen Schnitt durch das Verdichtergehäuse eines Abgasturboladers mit einer erfindungsgemässen Berstschutzvorrichtung, und

Fig. 2

eine schematische, vergrösserte Darstellung der Rückhaltevorrichtung der erfindungsgemässen Berstschutzvorrichtung nach Fig. 1.

Weg zur Ausführung der Erfindung

[0014] Fig. 1 zeigt einen Schnitt durch den Verdichter eines Abgasturboladers. Der Strömungsverlauf der zu verdichtenden Luft ist in den Figuren mit Pfeilen angedeutet. Die Bezeichnungen stromaufwärts und stromabwärts beziehen sich auf diesen Strömungsverlauf. Gestrichelt angedeutet ist auf der Drehachse A angeordnet das Verdichterrad 60, welches von verschiedenen Gehäuseteilen umgeben ist. Die Bezeichnungen radial, axial und koaxial beziehen sich auf die Drehachse A.

[0015] Unmittelbar radial ausserhalb des auf und durch das Verdichterrad führenden Strömungskanals 40 ist die Einsatzwand 10 angeordnet. Die Einsatzwand 10 begrenzt den Strömungskanal radial aussen und führt, je nach Art der Befestigung der Einsatzwand an den äusseren Gehäuseteilen, von stromauf des Verdichterrades 0bis über das Verdichterrad hinaus in den Bereich des Diffusors, welcher stromabwärts des Verdichterrades angeordnet ist. Radial ausserhalb der Einsatzwand ist eine äussere Verdichtergehäusewand 20 angeordnet, über welche beispielsweise ein Filterschalldämpfer 50 oder ein Ansaugstutzen für die Zuführung der zu verdichtenden Luft am Verdichtergehäuse befestigt ist. Die Aussenwand 20 ist im Bereich des Diffusors, direkt oder über weitere Gehäuseteile, mit der Einsatzwand 10 verbunden.

[0016] Die erfindungsgemässe Berstschutzvorrichtung soll im Fall des Berstens des Verdichterrades 60 die im Bereich des Verdichterrades abgetrennte Einsatzwand in axialer Richtung abbremsen und so am axialen Austritt aus dem Verdichtergehäuse hindern. Hierfür ist an der Einsatzwand ein radial nach aussen abstehender, koaxial angeordneter Rückhaltevorsprung 11 vorgesehen, welcher Im Fall des Berstens des Verdichterrades mit Bremselementen zusammenwirken soll. Diese Bremselemente sind als mit einer zentralen Öffnung ausgebildete, ringförmige Rückhalteelemente 31 und 21 ausgebildet. Ein erstes Rückhalteelement 31 ist an einem zwischen der Einsatzwand 10 und der Aussenwand 20 angeordneten Zwischenwand 30 befestigt. Das erste Rückhalteelement 31 ist in der Ausführungsform gemäss Fig. 1 in direktem Kontakt mit dem Rückhaltevorsprung der Einsatzwand, so dass im Fall des Berstens des Verdichterrades die Einsatzwand unmittelbar ein erstes mal in ihrer axialen Bewegung gebremst wird. Rückhaltevorsprung und Rückhalteelement können mit einem Bund oder aufeinander auflaufenden Keilflächen oder gar über eine Verschraubung miteinander verbunden sein. Alternativ kann zwischen dem Rückhaltevorsprung und dem ersten Rückhalteelement 31 auch ein geringfügiger axialer Abstand bestehen. In diesem Fall greift die erste Bremsstufe der Berstschutzvorrichtung erst nachdem sich die Einsatzwand bereits in die axiale Richtung verschoben hat. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, dass ein erster Schlag auf die Einsatzwand, welcher in der Regel zum oben beschriebenen Bruch der Einsatzwand führt, sich nicht direkt auf die Bremsvorrichtung auswirkt und etwa direkt das erste Rückhalteelement 31 beschädigt.

[0017] Ein zweites Rückhalteelement 21 ist gegenüber dem ersten Rückhalteelement 31 in axialer Richtung versetzt angeordnet. Es umfasst einen koaxial angeordneten umlaufenden Ring mit einer zentralen Öffnung. Der umlaufende Ring ist die radial innere Begrenzung einer Stützwand 22, welche an der Aussenwand 20 befestigt ist. Die Stützwand kann zur zusätzlichen Versteifung gewellt ausgebildet sein, wie dies in Fig. 1 angedeutet ist.

[0018] Die relativen Abmessungen von Rückhaltevorsprung 11 und Rückhalteelement 21 und 31 lassen sich anhand der schematischen Darstellung in Fig. 2 erläutern. Der Rückhaltevorsprung hat einen maximalen Aussenradius R₁₁. Der maximale Aussenradius R₁₁ bezeichnet den grössten Radius des koaxial angeordneten Rückhaltevorsprungs. Ist der Rückhaltevorsprung wie in der Figur angedeutet mit einer Keilfläche versehen, ist der maximale Aussenradius R₁₁ der Radius der äussersten Keilspitze. Die Rückhalteelemente 21 bzw. 31 haben einen minimalen Innenradius R₂₁ bzw. R₃₁. Der minimale Innenradius bezeichnet jeweils den kleinsten Radius der Öffnungen in den Rückhalteelementen. Sind die Öffnungen der Rückhalteelemente wie in der Figur angedeutet mit einer Keilfläche versehen, ist der minimale Innenradius der Radius der innersten Keilspitze bzw. die engste Stelle der koaxial angeordneten Öffnung.

[0019] Damit der Rückhaltevorsprung mit den Rückhalteelementen zusammenwirken kann, muss der maximale Aussenradius R₁₁ grösser sein als die minimalen Innenradien R₂₁ und R₃₁ Nur so ist gewährleistet, dass der Rückhaltevorsprung die Einsatzwand auf dem Weg in axialer Richtung durch eingreifen in die Rückhalteelemente bremsen kann. Vorteilhafterweise ist der Öffnungsradius des zweiten Rückhalteelements 21, also der minimale Innenradius R₂₁, kleiner als der Öffnungsradius des ersten Rückhalteelements 31, also der minimale Innenradius R₃₁. Sollte der Rückhaltevorsprung 11 an der stärksten Stelle beim Durchschlagen des ersten Rückhalteelements 31 auf die Abmessungen der Öffnung des ersten Rückhaltelements 31, den minimalen Innenradius R₃₁, reduzierte worden sein, so würde das zweite Rückhalteelement dank dem kleineren Öffnungsradius dem Rückhaltevorsprung 11 dennoch entgegenstehen und somit seine Bremswirkung entfalten können.

[0020] Der Rückhaltevorsprung 11 ist grundsätzlich als zylinderförmiger, umlaufender Ring ausgebildet. Alternativ kann der Rückhaltevorsprung auch entlang des Umfangs in zwei oder mehrere Abschnitte unterteilt sein, so dass sich im Fall des Berstens des Verdichterrades die auf den Rückhaltvorsprung wirkenden Kräfte und die dadurch verursachten Spannungen nicht über den gesamten Umfang ausbreiten können.

[0021] Bei Bedarf können dritte oder weitere Rückhalteelemente vorgesehen sein, welche entweder in dem Bereich zwischen dem ersten und zweiten Rückhalteelement oder weiter stromaufwärts des zweiten Rückhalteelements angeordnet sind.

Bezugszeichenliste

[0022] 

10

Einsatzwand

11

Rückhaltevorsprung

20

Verdichtergehäuse-Aussenwand

21

Rückhalteelement

22

Stützwand

30

Verdichtergehäuse-Zwischenwand

31

Rückhalteelement

40

Strömungskanal

50

Ansauggehäuse

60

Verdichterrad

A

Drehachse des Verdichterrades

R₁₁

maximaler Aussenradius des Rückhaltevorsprungs

R₂₁, R₃₁

minimaler Innenradius der Rückhalteelementes

Ansprüche

1. Berstschutzvorrichtung eines Radialverdichters eines Turboladers mit einer Verdichtergehäuse-Einsatzwand (10), welche einen Strömungskanal (40) über den Laufschaufeln des Verdichterrades radial aussen begrenzt, und mit einer Verdichtergehäuse-Aussenwand (20), welche die Einsatzwand (10) radial aussen umgibt,
wobei an der Einsatzwand (10) ein radial nach aussen ragender Rückhaltevorsprung (11) angeordnet ist und zwischen der Einsatzwand und der Aussenwand mindestens zwei, in axialer Richtung versetzte, ringförmige Öffnungen formende Rückhalteelemente (21, 31) zum Zurückhalten des Rückhaltevorsprungs (11) der Einsatzwand bei axialer Verschiebung der Einsatzwand (10) angeordnet sind,
dadurch gekennzeichnet, dass
die beiden Rückhalteelemente (21, 31) derart voneinander getrennt angeordnet sind, dass sie bei axialer Verschiebung der Einsatzwand (10) nacheinander mit dem Rückhaltevorsprung (11) der Einsatzwand zusammenwirken.

2. Berstschutzvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Rückhalteelemente (21, 31) von einander getrennt am Verdichtergehäuse befestigt sind.

3. Berstschutzvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Rückhalteelemente (21, 31) in axialer Richtung von einander getrennt am Verdichtergehäuse befestigt sind.

4. Berstschutzvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein erstes Rückhalteelement (31) Teil einer zwischen der Einsatzwand (10) und der Aussenwand (30) des Verdichtergehäuses angeordneten Zwischenwand (22) ist.

5. Berstschutzvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweites Rückhalteelement (21) an der Aussenwand (20) des Verdichtergehäuses befestigt und Teil einer radial nach innen geführten Stützwand (22) ist.

6. Berstschutzvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Stützwand (22) in Umfangsrichtung gewellt ausgebildet ist.

7. Berstschutzvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückhalteelemente (21, 31) ringförmige Öffnungen begrenzen, und dass der Rückhaltevorsprung (11) einen maximalen Aussenradius (R₁₁) aufweist, welcher grösser ist, als die beiden minimalen Innenradien (R₂₁, R₃₂) der durch die Rückhalteelemente begrenzten, ringförmigen Öffnungen.

8. Berstschutzvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der minimale Innenradius der Öffnung des weiter stromaufwärts angeordneten Rückhalteelementes (R₂₁) kleiner ist als der minimale Innenradius des anderen Rückhalteelementes (R₃₁).

9. Radialverdichter, gekennzeichnet durch eine Berstschutzvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche.

10. Abgasturbolader, gekennzeichnet durch einen Radialverdichter nach Anspruch 9.

Zeichnung