Lufteintritt eines Verdichters eines Abgasturboladers

Abstract

 Der Einlaufkonus am Lufteintrittsgehäuse eines Verdichters wird im potentiellen Kontaktbereich zur Einsatzwand des Verdichters durch aussenliegende, axial geführte Kerben lokal gezielt geschwächt wird. Die Kerben werden bis zu einer Resttiefe von 1 bis 3 mm aussen in den Einlaufkonus eingebracht, so dass die den Strömungskanal nach aussen Begrenzende Wand des Einlaufkonus von Innen unversehrt bleibt. Im Bereich der Kerben werden somit Sollbruchstellen ausgebildet, welche unter Belastung nachgeben. Im lokalen Aufschlagbereich der Einsatzwand kommt es beim Aufschlag zu einer Spannungskonzentration. Die durch das Auftreffen hervorgerufenen Druckspannungen führen zum Bruch mindestens einer der Sollbruchstellen, wodurch der durchgehende Ringquerschnitt in der Austrittsebene des Lufteintrittsgehäuses aufgehoben wird. Die Druckspannungen können sich in der Folge nicht mehr über den durch die mindestens eine Bruchstelle unterbrochenen Ringquerschnitt des Einlaufkonus verteilen. Es kommt zum Versagen und Herausbrechen einzelner Segmente des Einlaufkonus. Durch das Herausbrechen einzelner, von Sollbruchstellen begrenzten Segmente aus dem Einlaufkonus wird der auf das gesamte Lufteintrittsgehäuse übertragene Axialimpuls reduziert, indem Energie durch Deformation abgebaut wird und ausreichend Weg für die Verformung der Einsatzwand zur Verfügung gestellt wird.

Beschreibung

Technisches Gebiet

[0001] Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der aufgeladenen Brennkraftmaschinen. Sie betrifft ein Lufteintrittsgehäuse, insbesondere einen Filterschalldämpfer oder einen Luftansaugstutzen, eines Verdichters eines Abgasturboladers sowie einen Verdichter mit einem derartigen Lufteintrittsgehäuse.

[0002] Turbolader besitzen ein Lufteintrittsgehäuse. Dies ist in der Regel entweder ein Filterschalldämpfer oder ein Luftsaugstutzen. Welche Variante zum Einsatz kommt, unterscheidet sich je nach Leitungsführung am Motor und wird durch den Motorenbauer festgelegt. Von den Herstellern der Turbolader werden in der Regel für denselben Turboladertyp beide Lufteintrittsvarianten angeboten.

[0003] Die den Strömungskanal begrenzende innere Kontur des Lufteintrittsgehäuses im Bereich direkt stromauf vom Verdichterrad wird bei beiden Varianten von Lufteintrittsgehäusen möglichst baugleich ausgeführt. Die Qualität der Anströmung des Verdichterrades beeinflusst das thermodynamische Verhalten und somit den Wirkungsgrad und die Verdichterstabilität des Turboladers sowie das mechanische Verhalten, etwa Schaufelschwingungen des Verdichterrades. Somit ist es aus strömungsmechanischer Sicht erforderlich, dass die Anströmung des Verdichterrades möglichst homogen ist und dass nur möglichst geringe Druckverluste auftreten. Dafür wird bei modernen Turboladern ein Einlaufkonus eingesetzt, der für Filterschalldämpfer und Luftsaugstutzen gleich ausgeführt ist. Man erhält somit für beide Lufteintrittsvarianten einen ähnlichen Strömungszustand vor dem Verdichter.

[0004] Im Berstfall - Bersten des Verdichterrades bei hoher Drehzahl - muss aufgrund von Sicherheitsvorschriften gewährleistet werden, dass keine Teile den Turbolader verlassen. Beim Bersten des Verdichterrades wird die Eintrittskante der Einsatzwand aufgrund plastischer Verformung axial in Richtung Lufteintritt verschoben. Dadurch wird das Spaltmass zwischen Austrittsebene des Einlaufkonus im Lufteintrittsgehäuse und der Eintrittsebene des Strömungskanals in der Einsatzwand aufgebraucht und es kann zum Kontakt zwischen der Einsatzwand und dem Lufteintrittsgehäuse im Bereich des Einlaufkonus kommen. In diesem Fall überträgt die Einsatzwand beim Aufschlagen auf den Einlaufkonus einen axialen Impuls auf das Lufteintrittsgehäuse. Dies kann zum Brechen des Befestigungsflansches am Lufteintrittsgehäuse oder zum Versagen der Schraubverbindung an diesem Flansch führen

[0005] Es wird eine Ausführung für den Lufteintrittskanal benötigt, welche den im Containmentfall auftretenden Axialimpuls auf das Lufteintrittsgehäuse minimiert, ohne das die Anströmung des Verdichters nennenswert gestört wird.

[0006] Eine Option wäre, dass Spaltmass zwischen Austrittsebene des Einlaufkonus im Lufteintrittsgehäuse und der Eintrittsebene des Strömungskanals in der Einsatzwand zu vergrössern. Durch ein vergrössertes Spaltmass zwischen Austrittsebene des Einlaufkonus im Lufteintrittsgehäuse und der Eintrittsebene des Strömungskanals in der Einsatzwand kommt es nur bei grossen plastischen Deformationen der Einsatzwand zum Kontakt zwischen Einsatzwand und Einlaufkonus. Der Nachteil sind potentiell höhere Anströmverluste und somit ein tieferer Verdichterwirkungsgrad.

[0007] Eine weitere Option wäre, den Einlaufkonus im potentiellen Kontaktbereich durch axiale Schlitze lokal gezielt zu schwächen. Der durchgehende Ringquerschnitt in der Austrittsebene des Lufteintrittsgehäuses wird durch die axialen Schlitze aufgehoben. Im lokalen Aufschlagbereich der Einsatzwand kommt es so beim Aufschlag zu einer Spannungskonzentration. Die durch das Auftreffen hervorgerufenen Druckspannungen können sich nicht mehr über den (durch die Schlitze unterbrochenen) Ringquerschnitt des Einlaufkonus verteilen. Es kommt zum Versagen und Herausbrechen einzelner Segmente des Einlaufkonus. Dies ist ein gewollter Effekt. Durch das Herausbrechen einzelner Segmente aus dem Einlaufkonus (ein Segment läuft von Schlitz zu Schlitz) wird der auf das gesamte Lufteintrittsgehäuse übertragene Axialimpuls reduziert, indem Energie durch Deformation abgebaut wird und ausreichend Weg für die Verformung der Einsatzwand zur Verfügung gestellt wird. Folgende für das Containment relevante Risiken werden somit reduziert:

• Versagen des Flansches des Lufteintrittsgehäuses
• Bruch von Schrauben in der Flanschverbindung
• Absprengen der Lufteintrittsgehäuses-Struktur vom Turbolader

[0008] Da durch die Schlitze jedoch die Anströmung des Verdichterrades gestört wird und Druckverluste generiert werden, hat diese Massnahme negative Auswirkungen auf den Verdichterwirkungsgrad. Zusätzlich kann durch die Schlitze die mechanische Belastung der Verdichterschaufeln erhöht werden, da es zu einer zusätzlichen strömungsinduzierten Schwingungsanregung der Verdichterschaufeln kommen kann.

Kurze Darstellung der Erfindung

[0009] Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt darin, den Anströmbereich des Verdichters eines Abgasturboladers dahingehend zu optimieren, dass die Strukturbelastung im Berstfall unter Beibehaltung einer hohen Qualität der Anströmung minimiert werden kann.

[0010] Erfindungsgemäss wird dies erreicht, indem der Einlaufkonus am Lufteintrittsgehäuse im potentiellen Kontaktbereich zur Einsatzwand des Verdichters durch aussenliegende, axial geführte Kerben lokal gezielt geschwächt wird. Die Kerben werden bis zu einer Resttiefe von aussen in den Einlaufkonus eingebracht, so dass die den Strömungskanal nach aussen Begrenzende Wand des Einlaufkonus von Innen unversehrt bleibt. Im Bereich der Kerben werden somit Sollbruchstellen ausgebildet, welche unter Belastung nachgeben. Im lokalen Aufschlagbereich der Einsatzwand kommt es beim Aufschlag zu einer Spannungskonzentration. Die durch das Auftreffen hervorgerufenen Druckspannungen führen zum Bruch mindestens einer der Sollbruchstellen, wodurch der durchgehende Ringquerschnitt in der Austrittsebene des Lufteintrittsgehäuses aufgehoben wird. Die Druckspannungen können sich in der Folge nicht mehr über den durch die mindestens eine Bruchstelle unterbrochenen Ringquerschnitt des Einlaufkonus verteilen. Es kommt zum Versagen und Herausbrechen einzelner Segmente des Einlaufkonus. Durch das Herausbrechen einzelner, von Sollbruchstellen begrenzten Segmente aus dem Einlaufkonus wird der auf das gesamte Lufteintrittsgehäuse übertragene Axialimpuls reduziert, indem Energie durch Deformation abgebaut wird und ausreichend Weg für die Verformung der Einsatzwand zur Verfügung gestellt wird.

[0011] Somit werden die Vorteile des bekannten Designs mit Schlitzen genutzt, ohne jedoch dessen Nachteile in Kauf nehmen zu müssen.

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

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

[0013] Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Figuren detailliert erläutert. Hierbei zeigt

Fig. 1

eine Gesamtansicht eines Abgasturboladers gemäss dem Stand der Technik mit einem Verdichter, umfassend, schematisch angedeutet, zwei unterschiedliche Lufteintrittsgehäuse, einen Filterschalldämpfer und einen Luftansaugstutzen

Fig. 2

den Grundkörper eines Filterschalldämpfers mit einem erfindungsgemäss ausgebildeten Einlaufkonus,

Fig. 3

einen Luftansaugstutzen mit einem erfindungsgemäss ausgebildeten Einlaufkonus, und

Fig.4

einen im Bereich IV geführten axialen Schnitt durch den Lufteintritt eines Verdichters nach Fig. 1 mit erfindungsgemäss ausgebildetem Einlaufkonus.

Weg zur Ausführung der Erfindung

[0014] Fig. 1 zeigt eine Seitenansicht eines herkömmlichen Abgasturboladers mit Verdichter 1 und Abgasturbine 3. Der Verdichter umfasst ein im Verdichtergehäuse 10 angeordnetes Verdichterrad, die Turbine ein im Turbinengehäuse 30 angeordnetes Turbinenrad. Zwischen der Turbine und dem Verdichter ist das Lagergehäuse 40 angeordnet. Das Gehäuse der Abgasturbine 3 umfasst einen Gaseintritt 31, durch welchen das heisse Abgas auf das Turbinenrad strömt und dieses antreibt, bevor das Abgas durch den Gasaustritt 32 der Auspuffanlage zugeführt wird.

[0015] Das Turbinenrad ist an einem Ende einer um die Achse A rotierbaren Turboladerwelle angeordnet, welche im Lagergehäuse 40 drehbar gelagert ist. Am anderen Ende der Turboladerwelle befindet sich das Verdichterrad, welches durch den Lufteintritt 11 angesaugte Luft verdichtet, welche anschliessend in einem Spiral- oder Kollektorgehäuse gesammelt und über den Luftaustritt 12 den Brennkammern des Verbrennungsmotors zugeführt wird. Die Luft kann dem Ansaugbereich des Verdichters über einen rohrförmigen Luftansaugstutzen 22 (in der Fig. 1 in der linken Hälft oberhalb der Achse A angedeutet) oder über einen Schalldämpfer 21 (in der Fig. 1 in der linken Hälft unterhalb der Achse A angedeutet) zugeführt werden. Der Schalldämpfer kann zusätzlich Filterelemente umfassen, welche das Eintreten von grösseren Partikeln in den Verdichter verhindern. In diesem Fall wird von einem Filterschalldämpfer gesprochen.

[0016] Fig. 2 zeigt den zylinderförmigen Grundkörper 210 eines Filterschalldämpfers ohne eingesetzte Dämpfungselemente und ohne aufgesetztes Filterelement. Der Grundkörper ist entweder ein Monoblock (Gussteil) oder ein aus mehreren Einzelteilen zusammengefügtes Bauteil. Im vorliegenden Fall weist der Grundkörper eine geschlossene stirnseitige Vorderwand 211 und eine Rückwand 212 mit einer zentralen Luftaustrittsöffnung 213 auf. Um die Mantelfläche des zylindrischen Grundkörpers wird in der Regel ein Filterelement, durch welches die Luft ins Innere des Filterschalldämpfers und dort in etwa in radialer Richtung entlang der in dafür vorgesehenen Nuten 214 angeordneten Dämpfungselemente in einen zentralen Hohlraum strömt. Nach einer Umlenkung in die Axiale Richtung strömt die Luft durch die zentrale Luftaustrittsöffnung 213 in der Rückwand 212 entlang des Einlaufkonus 24 aus dem Filterschalldämpfer in den Eintrittsbereich des Verdichters. In den Einlaufkonus 24 sind erfindungsgemäss aussenliegende Kerben 25 eingelassen.

[0017] Fig. 3 zeigt einen Luftansaugstutzen welcher in der dargestellten Form eine Umlenkung der dem Verdichter zugeführten Luftströmung aus der radialen Richtung in die axiale Richtung bewirkt. Der Luftansaugstutzen 22 hat zwei Befestigungsflansche, einen eintrittsseitigen Befestigungsflansch 221 mit Bohrungen zur Aufnahme von Befestigungsmitteln und den austrittsseitigen Befestigungsflansch mit Bohrungen zur Aufnahme von Befestigungsmitteln. Eintrittsseitig wird am Flansch eine Zuführleitung angeschlossen, austrittsseitig wird der Luftansaugstutzen am Verdichtergehäuse befestigt. Im Austrittsbereich weist der Luftansaugstutzen 22 einen Einlaufkonus 24 auf, welcher die Strömung in den Eintrittsbereich des Verdichters leitet. In den Einlaufkonus 24 sind erfindungsgemäss aussenliegende Kerben 25 eingelassen.

[0018] Die in den Einlaufkonus 24 des Filterschalldämpfers oder des Luftansaugstutzens eingelassenen Kerben 25 werden anhand Fig. 4 detailliert erläutert.

[0019] Der Einlaufkonus 24 am Lufteintrittsgehäuse 2 (Filterschalldämpfer oder Luftansaugstutzen) wird erfindungsgemäss im potentiellen Kontaktbereich zur Einsatzwand des Verdichters durch aussenliegende, axial geführte Kerben 25 lokal gezielt geschwächt. Die Kerben werden bis zu einer Restwandstärke b von aussen in den Einlaufkonus 24 mit der Wandstärke a eingebracht, so dass die den Strömungskanal S nach aussen Begrenzende Wand des Einlaufkonus von Innen unversehrt bleibt. Im Bereich der Kerben werden somit Sollbruchstellen ausgebildet, welche unter Belastung nachgeben.

[0020] Beim Bersten des Verdichterrades wird die Eintrittskante 151 der Einsatzwand 15 aufgrund plastischer Verformung axial in Richtung Lufteintritt verschoben (in der Figur nach links). Dadurch wird das Spaltmass c zwischen Austrittsebene F_A des Strömungskanals im Einlaufkonus 24 im Lufteintrittsgehäuse 2 und der Eintrittsebene F_E des Strömungskanals in der Einsatzwand 15 aufgebraucht und es kann zum Kontakt zwischen der Einsatzwand 15 und dem Lufteintrittsgehäuse 2 im Bereich des Einlaufkonus 24 kommen. Im lokalen Aufschlagbereich der Einsatzwand kommt es beim Aufschlag zu einer Spannungskonzentration. Die durch das Auftreffen hervorgerufenen Druckspannungen führen zum Bruch mindestens einer der Sollbruchstellen, wodurch der durchgehende Ringquerschnitt in der Austrittsebene des Lufteintrittsgehäuses aufgehoben wird. Die Druckspannungen können sich in der Folge nicht mehr über den durch die mindestens eine Bruchstelle unterbrochenen Ringquerschnitt des Einlaufkonus verteilen. Es kommt zum Versagen und Herausbrechen einzelner Segmente des Einlaufkonus. Durch das Herausbrechen einzelner, von Sollbruchstellen begrenzten Segmente aus dem Einlaufkonus wird der auf das gesamte Lufteintrittsgehäuse übertragene Axialimpuls reduziert, indem Energie durch Deformation abgebaut wird und ausreichend Weg für die Verformung der Einsatzwand zur Verfügung gestellt wird.

[0021] Der Einlaufkonus ist Bestandteil des Lufteintrittsgehäuses 2 und in der Regel im Guss integriert. In einer vorteilhaften Ausführungsform wird der Einlaufkonus mit 8 axialen Kerben ausgeführt. Beim Bersten des Verdichterrades ist aus Erfahrung mit bis zu 4 grösseren Bruchstücken zu rechnen. Eine Anzahl von 8 Kerben ist ausreichend, um den gewünschten Effekt der Unterteilung des Ringquerschnitts in Segmente zu erzielen, die dann lokal belastet werden. Die Kerben sind gleichmässig über den Umfang verteilt. Optional können die Kerben ungleichmässig über den Umfang verteilt sein.

[0022] Die Tiefe der Kerbe ist so gross, wie fertigungstechnisch sinnvoll. Je dünner die Restwandstärke b, desto höher der Fertigungsaufwand und die Ausschussrate bei der Fertigung des Lufteintrittsgehäuses. In der Regel dürfte eine optimale Kerbtiefe bei rund 70-90% der mittleren Wandstärke des Einlaufkonus entlang der Kerbe liegen, wobei die fertigungstechnisch schräg auslaufenden Randbereiche der Kerbe hierfür nicht berücksichtig sind. Bei einer Ausgangswandstärke a von 11 mm entspräche der genannte Wert von 70-90% Kerbtiefe (abhängig von Gusstoleranzen und eingesetztem Bearbeitungsverfahren) etwa einer Restwandstärke von 1 bis 3 mm. Dies ist ausreichend, um im Kontaktfall das gewünschte Versagensbild (Herausbrechen einzelner Segmente aus dem Einlaufkonus) zu erhalten. Im Gegensatz zu durchgehenden Schlitzen bleibt eine negative Auswirkung auf die Strömung aus, da die strömungsführende Geometrie nicht verändert wird.

Bezugszeichenliste

[0023] 

1

Verdichter

10

Verdichtergehäuse

11

Lufteintritt ins Lufteintrittsgehäuse (Filterschalldämpfer oder Luftansaugstutzen)

12

Luftaustritt aus dem Verdichter

13

Verdichterrad

15

Einsatzwand

151

Eintrittskante

2

Lufteintrittsgehäuse

21

(Filter-) Schalldämpfer

210

Grundkörper des Filterschalldämpfers

211

Vorderwand des Filterschalldämpfers

212

Rückwand

213

Zentrale Luftaustrittsöffnung

214

Nuten zur Führung/ Befestigung von Dämpfungselementen

22

Luftansaugstutzen

23

Befestigungsflansch mit Bohrungen zur Aufnahme von Befestigungsmitteln

24

Einlaufkonus

25

Kerben

3

Abgasturbine

30

Turbinengehäuse

31

Gaseintritt in die Turbine

32

Gasaustritt aus der Turbine

40

Lagergehäuse

A

Achse des Rotors (Verdichterrad, Turbinenrad, Turboladerwelle)

S

Strömungskanal

F_A

Austrittsebene des Strömungskanals des Einlaufkonus

F_E

Eintrittsebene des Strömungskanals in der Einsatzwand

a

Wandstärke des Einlaufkonus

b

Restwandstärke am Grund der Kerbe

c

Spaltmass zwischen Austrittsebene des Einlaufkonus und der Eintrittsebene des Strömungskanals in der Einsatzwand

Ansprüche

1. Lufteintrittsgehäuse (2) eines Verdichters eines Abgasturboladers, umfassend einen durch eine Gehäusewand des Lufteintrittsgehäuses gebildeten Einlaufkonus (24) zum Zuführen von Luft in einen Ansaugbereich des Verdichters, wobei der Einlaufkonus einen Strömungskanal umschliesst, welcher sich in Strömungsrichtung bis zu einer Austrittsebene des Einlaufkonus erstreckt dadurch gekennzeichnet, dass unter Belassung einer Restwandstärke (b) von radial aussen Kerben (25) in die den Einlaufkonus (24) bildende Gehäusewand eingelassen sind, welche Kerben sich entlang der axialen Ausdehnung des Einlaufkonus erstrecken.

2. Lufteintrittsgehäuse nach Anspruch 1, wobei mehrere Kerben vorgesehen sind und die Kerben entlang dem Umfang verteilt angeordnet sind.

3. Lufteintrittsgehäuse nach Anspruch 2, wobei die Kerben gleichmässig entlang dem Umfang verteilt angeordnet sind.

4. Lufteintrittsgehäuse nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Kerben eine Tiefe von 70-90% der mittleren Wandstärke (a) der den Einlaufkonus (24) bildenden Gehäusewand aufweist, wobei als mittlere Wandstärke (a) die durchschnittliche Wandstärke entlang der Kerbe gilt.

5. Lufteintrittsgehäuse nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei es sich beim Lufteintrittsgehäuse um einen Schalldämpfer (21) handelt.

6. Lufteintrittsgehäuse nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei es sich beim Lufteintrittsgehäuse um einen Luftansaugstutzen (22) handelt.

7. Verdichter eines Abgasturboladers, umfassend ein Lufteintrittsgehäuse nach einem der Ansprüche 5 oder 6.

Zeichnung