Gasaustrittsgehäuse einer Abgasturbine mit einem Stützelement

Abstract

 Es wird ein Gasaustrittsgehäuse einer Abgasturbine vorgestellt, welches ein Stützelement aufweist. Das Stützelement ist als eine Trennwand (15) ausgebildet, welche quer durch den asymmetrischen Strömungskanal führt. Dies führt dazu, dass das Turbinengehäuse (10) genauso stabil ist, wie wenn es eine symmetrische Form aufweisen würde.

Beschreibung

Technisches Gebiet

[0001] Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Abgasturbinen, wie sie in Abgasturboladern, zur Leistungssteigerung von Brennkraftmaschinen (Hubkolbenmotoren), oder in Nutzturbinen, zum Umwandeln der in den Abgasen von Brennkraftmaschinen enthaltenen Energie in mechanische oder elektrische Energie, eingesetzt werden. Sie betrifft das Gehäuse einer solchen Abgasturbine.

Stand der Technik

[0002] Bei modernen Brennkraftmaschinen wird es für Hersteller von Abgasturboladern immer schwieriger die für eine effiziente Nutzung der Brennkraftmaschine geforderten Wirkungsgrade des Abgasturboladers bereitzustellen. Eine Möglichkeit den Wirkungsgrad des Abgasturboladers zu verbessern, besteht darin, neue, thermodynamisch optimierte Strömungskanalformen auszulegen.

[0003] Im Gasaustrittsgehäuse einer Abgasturbine können bei betriebsbedingter Erwärmung aufgrund der thermodynamisch optimierten, asymmetrischen Form der Strömungskanalführung asymmetrische Ausdehnungen des Gehäuses entstehen.

[0004] Um Schäden an den rotierenden Bauteilen zu verhindern, muss aufgrund der unterschiedlich grossen Ausdehnungen das Spiel zwischen den rotierenden Bauteilen und den feststehenden Gehäuseteilen erhöht werden, wodurch der durch die thermodynamisch optimierte Strömungskanalformen gewonnene Wirkungsgrad zumindest teilweise wieder verloren geht.

Kurze Darstellung der Erfindung

[0005] Die Aufgabe der Erfindung liegt darin, das Gasaustrittsgehäuse einer Abgasturbine gegen unsymmetrische Ausdehnung resistent zu machen.

[0006] Erfindungsgemäss wird dies mit mindestens einem Stützelement erreicht, welches im Innern des Gasaustrittsgehäuses angeordnet ist.

[0007] Als Stützelement kann eine Trennwand oder eine Rippe vorgesehen sein, welche quer durch den Strömungskanal führt. Damit wird das Gasaustrittsgehäuse genauso stabil, wie wenn es eine symmetrische Form aufweisen würde.

[0008] Optional kann das Stützelement als axiale Verbindung zwischen dem lagergehäuseseitigen Flansch und dem gaseintrittsseitigen Flansch vorgesehen sein. Dies führt zu einer weiteren Versteifung des gesamten Turbinengehäuses.

[0009] Wird das Stützelement als eine Trennwand ausgebildet, welche gegenüber einer schmalen Rippe eine grössere radialer Ausdehnung aufweist, oder werden mehrere, radial übereinander angeordnete Rippen eingesetzt, können nicht nur axiale Kräfte sondern auch ein sehr hohes Moment aufgenommen werden. Die so erzielte, stärkere Stabilisierung führt dazu, dass das Abkippen des Gasaustrittsflansches vermieden werden kann.

[0010] Die asymmetrischen Gehäusedeformationen werden dank der erfindungsgemässen Abstützung des Turbinengehäuses so stark vermindert, dass der durch die thermodynamisch optimierten Strömungskanalformen gewonnene Wirkungsgrad vollumfänglich genutzt werden kann.

[0011] Zusätzlich führt das Stützelement dazu, dass sich die Eigenfrequenz der Abgasturbine, bzw. des Abgasturboladers oder der Nutzturbine erhöht. Dies wiederum trägt zu einem wesentlich unproblematischeren Betriebsverhalten bei.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

[0012] Nachfolgend sind anhand der Zeichnungen Ausführungsformen des erfindungsgemässen Turbinengehäuses beschrieben. Hierbei zeigt

Fig. 1

eine isometrische Ansicht eines teilweise aufgeschnittenen Turbinengehäuses mit einer erfindungsgemässen Abstützung durch eine Trennwand, von der Seite des Lagergehäuseflansches her gesehen,

Fig. 2

eine isometrische Ansicht des axial geschnittenen Turbinengehäuses nach Fig. 1, wobei der Schnitt durch die Trennwand geführt ist, von der Seite des Lagergehäuseflansches her gesehen,

Fig. 3

eine isometrische Ansicht des axial geschnittenen Turbinengehäuses nach Fig. 1, wobei der Schnitt durch die Trennwand geführt ist, von der Seite des Gaseintrittflansches her gesehen, und

Fig. 4

eine isometrische Ansicht eines teilweise aufgeschnittenen Turbinengehäuses mit einer erfindungsgemässen Abstützung durch eine Rippe, von der Seite des Lagergehäuseflansches her gesehen, und

Fig. 5

eine isometrische Ansicht eines axial geschnittenen Turbinengehäuses nach dem Stand der Technik, mit eingesetztem Diffusor..

Weg zur Ausführung der Erfindung

[0013] Fig. 5 zeigt ein entlang der Turbinenachse aufgeschnittenes Turbinengehäuse 10 eines Abgasturboladers bzw. einer Nutzturbine nach dem Stand der Technik. Die Strömungsrichtung des heissen, von der Brennkraftmaschine herangeführten Abgases ist mit den dicken, weissen Pfeilen angedeutet. Das Gas tritt demnach durch die Öffnung im Gaseintrittsflansch 13 in das Innere des Turbinengehäuses, wird im Strömungskanal über die nicht dargestellten Laufschaufeln des Turbinenrades geführt, im asymmetrisch ausgebildeten Sammelraum 14 radial ausserhalb des Diffusors aufgefangen und verlässt das Turbinengehäuse anschliessend über die Öffnung im Gasaustrittsflansch 11. Das nicht dargestellte Turbinenrad ist auf einer Welle angeordnet, welche durch die Öffnung im Lagergehäuseflansch 12 geführt und im Lagergehäuse drehbar gelagert ist. Am gegenüberliegenden Ende der Welle ist beim Abgasturbolader das Verdichterrad, bei der Nutzturbine das Verbindungselement zur Nutzmaschine angeordnet.

[0014] In den Figuren 1 bis 4, welche das erfindungsgemässe Turbinengehäuse in verschiedenen Schnitten und aus verschiedenen Richtungen sowie in zwei unterschiedlichen Ausführungsformen zeigen, ist der Diffusor im Abströmbereich radial ausserhalb der Turbinenschaufeln nicht dargestellt. Der Diffusor wird bei der Montage der Abgasturbine auf der Rückseite des Gaseintrittsflansches 13 befestigt. Die dafür verwendeten Bohrungen sind in den Figuren dargestellt. Ebenfalls nicht dargestellt ist die strömungsführende Kulisse auf der Seite des Lagergehäuseflansches 12. Diese Kulisse ist entweder ebenfalls Teil des Turbinengehäuses, oder aber des Lagergehäuses oder sie wird als separates Bauteil bei der Montage zwischen dem Lagergehäuse und dem Lagergehäuseflansch 12 des Turbinengehäuses befestigt.

[0015] Fig. 1 zeigt eine isometrische Ansicht des teilweise aufgeschnittenen Turbinengehäuses 10 mit einer erfindungsgemässen Abstützung durch eine Trennwand 15, von der Seite des Lagergehäuseflansches 12 her gesehen. Das heisse Abgas wird von hinten durch die Öffnung im Gaseintrittsflansch 13 ins Turbinengehäuse hineingeführt. Die stützende Trennwand 15 erstreckt sich im radial äusseren Bereich des Turbinengehäuses, dem Gasaustrittsbereich in axialer Richtung von dem Lagergehäuseflansch 12 quer durch den Strömungskanal hin zur Seite des Gaseintrittsflansches 13. Das im Bereich des Sammelraumes 14, welcher sich im montierten Zustand der Abgasturbine, radial ausserhalb des Diffusors erstreckt, ist das Turbinengehäuse wie eingangs ausgeführt asymmetrisch ausgebildet, um durch verbesserte thermodynamische Verhältnisse eine Wirkungsgradsteigerung zu bewirken. Die stützende Trennwand 15 wirkt stabilisierend für das Turbinengehäuse, wenn es bei starker Erwärmung aufgrund der asymmetrischen Form zu ungleichen Ausdehnungen kommt.

[0016] Fig. 2 und Fig. 3 zeigen isometrische Ansichten des Turbinengehäuses 10, wobei das Turbinengehäuse jeweils durch die Trennwand 15 aufgeschnitten ist. Es ist in diesen Darstellungen deutlich zu sehen, dass die Trennwand 15 die Lagergehäuseseite mit der Gaseintrittsseite verbindet, und so für das Turbinengehäuse im Gasaustrittsbereich stabilisierend wirkt.

[0017] Fig.4 zeigt eine isometrische Ansicht eines erfindungsgemäss gestützten Turbinengehäuses in einer zweiten Ausführungsform. Anstelle einer sich radial bis an die äussere Grenze des Gasaustrittsflansches erstreckenden Trennwand, ist der Gasaustrittsbereich mit einer Rippe 16 abgestützt. Die Rippe erstreckt sich quer durch den Strömungskanal und verbindet ebenfalls die Lagergehäuseseite mit der Gaseintrittsseite des Turbinengehäuses. Optional können zwei oder mehr Rippen radial übereinander angeordnet sein, um eine zusätzliche Abstützung zu erreichen. Insbesondere kann dadurch ein hohes Moment aufgenommen werden, wodurch verhindert werden kann, dass der Gasaustrittsflansch abkippen kann.

Bezugszeichenliste

[0018] 

10

Turbinengehäuse

11

Gasaustrittsflansch

12

Lagergehäuseflansch

13

Gaseintrittsflansch

14

Sammelraum

15

Stützelement (Trennwand)

16

Stützelement (Rippe)

Ansprüche

1. Gasaustrittsgehäuse einer Abgasturbine, umfassend einen Strömungskanal, dadurch gekennzeichnet, dass im Strömungskanal mindestens ein Stützelement (15, 16) zur Stabilisierung des Gasaustrittsgehäuses angeordnet ist.

2. Gasaustrittsgehäuse nach Anspruch 1, wobei das Gasaustrittsgehäuse in dem den Strömungskanal begrenzenden Bereich asymmetrisch ausgebildet ist.

3. Gasaustrittsgehäuse nach Anspruch 1, wobei das Stützelement (15, 16) quer zum Strömungskanal angeordnet ist.

4. Gasaustrittsgehäuse nach Anspruch 1, wobei das Stützelement als eine Trennwand (15) oder eine Rippe (16) durch den Strömungskanal ausgebildet ist.

5. Turbinengehäuse, umfassend ein Gasaustrittsgehäuse nach einem der Ansprüche 1 bis 4.

6. Turbinengehäuse nach Anspruch 5, wobei das Turbinengehäuse einen Gaseintrittsflansch (13) und einen Lagergehäuseflansch (12) umfasst und das Stützelement (15, 16) den Gaseintrittsflansch (13) in axialer Richtung mit dem Lagergehäuseflansch (12) verbindet.

7. Abgasturbolader oder Nutzturbine, umfassend ein Turbinengehäuse nach einem der Ansprüche 5 oder 6.

Zeichnung