Reinigungselemente auf Laufschaufelspitzen einer Abgasturbine

Abstract

 Die Reinigungsvorrichtung umfasst an den Laufschaufeln (1) der Abgasturbine angeordnete Reinigungselemente (11), welche den Bereich radial ausserhalb der Laufschaufeln im Betrieb laufend von Verunreinigung (3) befreien.
Von der Vielzahl von Laufschaufeln sind nur einige wenige mit Reinigungselementen ausgestattet. Dadurch können die Herstellungskosten tief gehalten werden.

Beschreibung

Technisches Gebiet

[0001] Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der mit Abgasen von Brennkraftmaschinen beaufschlagten Strömungsmaschinen.

[0002] Sie betrifft eine Reinigungsvorrichtung einer Abgasturbine.

Stand der Technik

[0003] Abgasturbinen, insbesondere in Abgasturboladern, werden in Verbindung mit einem Verbrennungsmotor verwendet. Das Abgas aus dem Verbrennungsmotor wird als Antriebsmittel zum Antreiben des Turbinenrades benutzt. Das Turbinenrad ist durch eine Welle mit dem Verdichterrad verbunden mit welchem die Ansaugluft, die dem Verbrennungsmotor zugeführt wird, komprimiert wird. Das auf die Laufschaufeln der Abgasturbine geführte Abgas enthält Verunreinigungen, welche durch unvollständige Verbrennung und durch Kraftstoffverunreinigungen verursacht werden. Die Menge an Verunreinigungen, die der Verbrennungsmotor mit dem Abgas abgibt, ist stark vom verwendeten Kraftstoff abhängig. Wird ein schmutziger Kraftstoff verwendet, beispielsweise Schweröl (HFO), können beträchtliche Mengen an Verunreinigungen mit dem Abgas abgegeben werden.

[0004] Die Verunreinigungen im Abgas führen unter anderem zu Ablagerungen auf den, den Strömungskanal bildenden Gehäuseteilen rund um das Turbinenrad. Insbesondere im Bereich radial ausserhalb der schnell rotierenden Laufschaufeln kommt es durch die radial nach aussen verdrängten Schmutzpartikel vermehrt zu Ablagerungen. Diese Ablagerungen führen dazu, dass sich der zwischen den Spitzen der Laufschaufeln und den gegenüberliegend angeordneten Gehäuseteilen ausgebildete Luftspalt (Clearance) verringert und es früher oder später zum Kontakt zwischen den Ablagerungen und den Laufschaufeln kommt. Dadurch wird einerseits das Turbinenrad abgebremst, andererseits können aber auch die Laufschaufeln Schaden nehmen, indem die Laufschaufelspitzen durch die stetige Reibung abgeschliffen werden.

[0005] Um einen dauerhaft störungsfreien Betrieb bei voller Leistungsfähigkeit gewährleisten zu können, werden in der Regel die verunreinigten Teile in regelmässigen Abständen mittels einer in den Abgasstrom im Strömungskanal eingespritzten Reinigungsflüssigkeit von den Ablagerungen befreit.

[0006] Aus CH 335 901 ist eine Axialturbine mit einer Einrichtung zum Einführen eines Reinigungsmediums in den Schaufelkanal bekannt. Dabei wird ein das Reinigungsmedium führender und mit Austrittsstellen versehener, einen Ring bildender Düsenträger offenbart, welcher radial ausserhalb des Zuströmkanals am Eintritt in den Schaufelkanal der Turbine angeordnet ist.

[0007] Eine ähnliche Vorrichtung ist aus DE 2 008 503 bekannt. Wiederum wird eine Reinigungsflüssigkeit mit grossem Abstand von radial ausserhalb des Strömungskanals in die Strömung eingespritzt.

[0008] Aus DE 35 15 825 ist eine Vorrichtung zum Reinigen der Turbinenschaufeln eines Abgasturboladers bekannt, bei der mittels Wassereinspritzdüsen Wasser stromaufwärts der Leitelemente in den Abgasstrom eingespritzt wird. Das Wasser wird von einer Hochdruck-Wasserversorgung über eine Wasserleitung zu den einzelnen Wasserinjektoren geleitet, welche dann den geeigneten Strom von Tröpfchen für das Reinigen liefert.

Kurze Darstellung der Erfindung

[0009] Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Abgasturbine mit einer vereinfachten Reinigungsvorrichtung zu schaffen.

[0010] Erfindungsgernäss umfasst die Reinigungsvorrichtung an den Laufschaufeln der Abgasturbine angeordnete Reinigungselemente, weiche den Bereich radial ausserhalb der Laufschaufeln im Betrieb laufend von allzu starker Verunreinigung befreien.

[0011] Die erfindungsgemässen Reinigungselemente sind in einer ersten Ausführungsform als beschichtete Laufschaufelspitzen ausgebildet. Diese beschichteten Laufschaufelspitzen reiben die an der radialen Innenseite des Gehäuses der Abgasturbine angelagerte Verschmutzung ab.

[0012] Sind erfindungsgemäss nur ein Teil der Laufschaufeln mit Reinigungselementen versehen, sind diese Laufschaufeln vorteilhafterweise in radialer Richtung länger ausgebildet als die übrigen Laufschaufeln.

[0013] Vorteilhafterweise sind von der Vielzahl von Laufschaufeln nur einige wenige mit Reinigungselementen ausgestattet. Dadurch wird der Reinigungseffekt nicht beeinträchtigt, aber die Herstellungskosten für das Turbinenrad können tief gehalten werden.

[0014] Um die Abtragung der Verunreinigungen effizienter zu gestalten, können die Reinigungselemente mit Schneidekanten versehen werden, welche radial nach aussen oder aber zur Druckseite hin geneigt ausgerichtet sein können. Die Verunreinigungen werden mit der nahezu parallel zur Oberfläche der Gehäusewand geführten Schneidekante kontinuierlich abgehobelt.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

[0015] Nachfolgend werden verschiedene Ausführungsformen der Erfindung anhand von Zeichnungen detailliert erläutert. Hierbei zeigt

Fig. 1

schematisch einen Schnitt durch ein Abgasturbinenrad mit einem erfndungsgemässen Reinigungselement im Bereich der Spitzen der Turbinenlaufschaufeln,

Fig. 2

die Laufschaufel mit dem Reinigungselement nach Fig. 1, mit einer zusätzlichen Schneidekante, und

Fig.3

die Laufschaufel mit dem Reinigungselement nach Fig. 1, mit einer zusätzlichen in Druckrichtung geneigten Schneidekante.

Weg zur Ausführung der Erfindung

[0016] Das Laufrad einer Abgasturbine umfasst eine Nabe mit darauf befestigten Laufschaufeln. Je nach Grösse und Anwendungsbereich der Abgasturbine umfasst ein Laufrad zwischen einigen wenigen und mehreren Dutzend Laufschaufeln.

[0017] Sowohl bei axial angeströmten Abgasturbinen, als auch bei radial oder gemischt angeströmten Abgasturbinen wird im Bereich der Laufschaufeln der die Abgase über das Turbinenrad führende Strömungskanal durch die radial innenliegende Nabe des Turbinenrades und einer radial ausserhalb des Turbinenrades angeordneten Gehäusewand gebildet.

[0018] Fig. 1 zeigt schematisch einen Schnitt durch die Achse einer Abgasturbine, wobei nur ein kleiner Ausschnitt im Bereich der Laufschaufeln 1 und der die Laufschaufeln radial umgebenden Gehäusewand 2 dargestellt ist. Die Drehrichtung des Turbinenrades ist mit dem Pfeil angedeutet.

[0019] Die erfindungsgemäss mit einem Reinigungselement 11 ausgestattete Laufschaufel ist in der dargestellten Ausführungsform in radialer Richtung länger ausgebildet als die übrigen Laufschaufeln. Dadurch ist sichergestellt, dass Verunreinigungen 3, welche sich auf der Innenseite der Gehäusewand 2 im Laufe des Betriebes der Abgasturbine ablagern, nur von den Reinigungselementen erfasst werden, und nicht die Spitzen der übrigen Laufschaufeln beeinträchtigen.

[0020] Die Reinigungselemente auf den Schaufelspitzen können eine abrasive Beschichtung umfassen. Dabei ist auf der Schaufelspitze der betreffenden Laufschaufeln eine Schicht aus beispielsweise kubischen Bor-Nitriden (cBN), Chrom-Karbid (CrC) oder Wolframcarbid-Chromkarbid-Niekel (WC-CrC-Ni) oder ähnlichen, abriebfesten Materialien aufgetragen. Die Beschichtung kann die gesamte Schaufelspitze der Laufschaufel umfassen, oder aber nur auf der Druckseite, d.h. auf der in Laufrichtung des Turbinenrades vorderen Seite, und nicht auf der Saugseite, angebracht sein. Die beschichtete Schaufelspitze als Reinigungselement hat den Vorteil, dass auch bei längerem Betrieb und starker Verschmutzung die Laufschaufel an der radial äusseren Spitze nicht beschädigt wird. Die Spitze wird auch nicht in radialer Richtung gekürzt, so dass der Luftspalt zwischen der Gehäusewand und den übrigen, ohne Reinigungselement ausgestattete Laufschaufeln konstant gehalten werden kann. Die Erhaltung des Reinigungselements ermöglicht eine dauerhafte Reinigung des Bereiches radial ausserhalb der Laufschaufeln.

[0021] Fig. 2 zeigt eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemässen Reinigungselementes, Im radial äussersten Bereich der Schaufelspitze ist eine Schneidekante 12 vorgesehen. Diese Schneidekante, welche vorteilhafterweise ebenfalls aus einem abriebfesten Material 11 gefertigt oder mit einem solchen beschichtet ist, sorgt für einen sauberen Schnitt durch die Ablagerungen an der Innenseite der Gehäusewand. Wird die Schneidekante, wie in Fig. 3 dargestellt, in Richtung der Druckseite, also in Laufrichtung des Turbinenrades, geneigt, kann der Schneideffekt zusätzlich verbessert werden. Die oberste Schicht der Ablagerung wird mit der nahezu parallel zur Oberfläche der Ablagerung geführten Schneidekante kontinuierlich abgehobelt. Der Widerstand des Reinigungselements beim Abtragen der Ablagerung kann dank der Schneidekante reduziert werden.

[0022] Die abgetragene Verschmutzung wird von der Strömung erfasst und mit dem Abgas den Auspuffrohren zugeführt. Gegebenenfalls werden diese Verschmutzungspartikel mit geeigneten Filtern aus den Abgasen gefiltert.

[0023] Um eine optimale Reinigung zu erzielen, wird die erfindungsgernässe Reinigungsvorrichtung vorteilhafterweise mit einer aus dem Stand der Technik bekannten Feuchtreinigungsvorrichtung kombiniert. In diesem Fall kann beim plötzlichen Einspritzen von kalter Reinigungsflüssigkeit der Abstand zwischen Laufschaufelspitzen und den umliegenden Gehäuseteilen kurzzeitig thermisch bedingten Änderungen unterliegen. Sollte es im Extremfall gar zu einem kurzzeitigen Kontakt zwischen Laufschaufelspitze und Gehäusewand kommen, sorgen die länger Reinigungselemente an den Laufschaufelspitzen dafür, dass die übrigen Laufschaufeln nicht beeinträchtig werden.

[0024] Die erfindungsgemässen Reinigungselemente lassen sich sowohl bei axial angeströmten Abgasturbinen, den sogenannten Axialturbinen, als auch bei radial oder gemischt angeströmten Abgasturbinen, den sogenannten Radial- oder MixedFlow-Turbinen eingesetzt werden. Solche Abgasturbinen können bei Abgasturboladern zum Antrieb eines Verdichters oder bei Nutzturbinen zum Antrieb eines elektrischen Generators eingesetzt werden.

Bezugszeichenliste

[0025] 

1

Laufschaufel

2

Gehäusewand

11

Reinigungselement, Beschichtung

12

Schneidekante

3

Ablagerungen

Ansprüche

1. Abgasturbine, umfassend ein Turbinenrad mit einer Vielzahl von Laufschaufeln (1), ein Turbinengehäuse und eine Reinigungsvorrichtung zum Entfernen von Schmutz (3), welcher sich auf der Innenseite einer radial ausserhalb der Laufschaufeln der Abgasturbine angeordneten Gehäusewand (2) ablagert,
dadurch gekennzeichnet, dass die Reinigungsvorrichtung auf den Spitzen der Laufschaufeln (1) des Turbinenrades angeordnete Reinigungselemente (11) umfasst.

2. Abgasturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Teil der Laufschaufeln eine in radialer Richtung verlängerte Laufschaufelspitze aufweisen.

3. Abgasturbine nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Teil der Laufschaufeln im Bereich der Laufschaufelspitzen mit einer abrasiven Schicht (11) ausgestattet sind.

4. Abgasturbine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Laufschaufelspitzen auf der Druckseite beschichtet und auf der Saugseite unbeschichtet sind.

5. Abgasturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Teil der Laufschaufeln im Bereich der Laufschaufelspitzen eine Schneidekante (12) aufweist.

6. Abgasturbine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Schneidekante (12) zur Druckseite hin geneigt ausgebildet ist.

7. Abgasturbolader, umfassend eine Abgasturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 6.

8. Nutzturbine, umfassend eine Abgasturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 6.

Zeichnung