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CH715597B1 - Gasturbomaschine, insbesondere Radialgasturbomaschine, mit einer Berstschutzvorrichtung. - Google Patents

Gasturbomaschine, insbesondere Radialgasturbomaschine, mit einer Berstschutzvorrichtung. Download PDF

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CH715597B1 CH001357/2019A CH13572019A CH715597B1 CH 715597 B1 CH715597 B1 CH 715597B1 CH 001357/2019 A CH001357/2019 A CH 001357/2019A CH 13572019 A CH13572019 A CH 13572019A CH 715597 B1 CH715597 B1 CH 715597B1
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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Gasturbomaschine (10), insbesondere Radialgasturbomaschine, mit einer Berstschutzvorrichtung (1) und mit einem Turbinengehäuse (20), das ein in dem Turbinengehäuse (20) drehbar angeordnetes Turbinenrad (21) vollumfänglich umfasst, wobei die Berstschutzvorrichtung (1) als Einsatzstück ausgebildet ist und um eine zentrale Achse (A) in Umfangsrichtung ringförmig an der Turbinengehäuseinnenwand (22) angeordnet ist, um das Turbinenrad (21) zumindest teilweise zu umgreifen, wobei die Berstschutzvorrichtung (1) wenigstens eine/n erste/n Aussparung/Hohlraum (2) aufweist, wobei diese/r Aussparung/Hohlraum (2) in der Berstschutzvorrichtung (1) so ausgebildet ist, dass die kinetische Energie von Bruchstücken des Turbinenrads (21) bei dessen Zerbersten durch die Berstschutzvorrichtung (1) aufgrund plastischen Verformens im Bereich der/des Aussparung/Hohlraums (2) aufgenommen wird und dazu die/der erste Aussparung/Hohlraum (2) einseitig in Richtung des Turbinengehäuses (20) geöffnet ist.

Description

[0001] Die Erfindung betrifft eine Gasturbomaschine (10), insbesondere Radialgasturbomaschine, mit einer Berstschutzvorrichtung (1) und mit einem Turbinengehäuse, das ein in dem Turbinengehäuse drehbar angeordnetes Turbinenrad vollumfänglich umfasst.
[0002] Aktuell bekannte Hochleistungsturbomaschinen, wie beispielsweise Abgasturbolader aufgeladener Brennkraftmaschinen, stellen im Falle eines technischen Versagens der rotierenden Teile des Turboladers ein hohes Risiko für ihre Umgebung dar. Besonders beim Betrieb in Situationen, bei denen sich Personen in der unmittelbaren Umgebung der Turbomaschine befinden können, muss sichergestellt sein, dass im Versagensfall, d.h. beim Zerbersten alle Teile sicher und vollständig aufgefangen werden und keine Person verletzen können.
[0003] Um das Durchschlagen von Bruchstücken durch die Außenwand des Turboladers und somit die Gefährdung von Personen oder eine Beschädigung benachbarter Maschinenteile zu verhindern, wurden in der Vergangenheit die Turbolader im Bereich radial außerhalb des Turbinenlaufrades mit relativ dicken Wänden im Turbinengehäuse versehen. Diese Lösungen weisen jedoch eine Reihe von Nachteilen auf, wie z. B. das erhebliche Mehrgewicht des Gehäuses und die Gefahr von Lunkerbildungen aufgrund schlechterer Gießbarkeit eines solchen Turbinengehäuses. Außerdem erwärmt sich ein derart verdicktes Gehäuse unterschiedlich, was zu Thermorissen führen kann.
[0004] Aus der DE 42 23 496 A1 ist eine Vorrichtung zur Reduzierung der kinetischen Energie von berstenden Teilen für mit hoher Geschwindigkeit umlaufende Maschinen bekannt. Diese im Inneren einer Axialturbine angeordnete Vorrichtung besteht aus mehreren miteinander verbundenen Schutzringen, zwischen denen jeweils eine aus duktilem Material gefertigte Knautschzone ausgebildet ist. Eine solche Lösung ist jedoch für Radialturbinen nicht geeignet, weil wegen deren radialen Gaseintritt keine Berstschutzeinrichtungen im radialen Bereich der Turbine eingesetzt werden können.
[0005] Aus der Druckschrift US 4,875,837 A ist einen mehrlagigen Berstschutz bekannt, bei dem in einer Eisenplatte ein wärmeisolierendes Material eingebracht ist, und der in Abstand zu einem Turbinengehäuse und an einem Spiralteil des Turbinengehäuses befestigt ist. Nachteilig bei dem dort beschriebenen Berstschutz ist allerdings der Umstand, dass dieser Berstschutz nur einen 120°- Winkelbereich des Spiralteils des Gehäuses umgibt und damit teilweise offen ausgebildet ist.
[0006] Aus der Druckschrift DE 196 40 654 A1 ist ein weiterer Berstschutz bekannt, der außerhalb eines Gaseintrittsgehäuses einer Radialturbine für einen Turbolader vorgesehen ist, welcher als spiralförmige Blechhülle ausgebildet ist und über mehrere Schrauben lösbar mit dem Gaseintrittsgehäuse verbunden ist.
[0007] Weiterhin sind Lösungen bekannt, bei denen gebogenen Bleche als Berstschutz um die Spirale angeordnet sind, welche allerdings konstruktiv einfach ausgebildet sind, um die Herstellkosten zu reduzieren, die allerdings nur eine eingeschränkte Festigkeit und Steifigkeit aufweisen und sich auch in Bezug auf das Verhalten in Reaktion auf die auftretenden Eigenfrequenzen im Betrieb ungünstig verhalten.
[0008] Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, besagte Nachteile zu vermeiden und eine verbesserte, einfach herzustellende und sichere Berstschutzvorrichtung insbesondere für Radialturbinen von Turboladern zu schaffen und damit die Sicherheit von Turboladern weiter zu verbessern.
[0009] Diese Aufgabe wird durch die Merkmalskombination gemäß Patentanspruch 1 gelöst.
[0010] Erfindungsgemäß wird daher eine Gasturbomaschine, insbesondere Radialgasturbomaschine, mit einer Berstschutzvorrichtung und mit einem Turbinengehäuse vorgeschlagen, welches ein in dem Turbinengehäuse drehbar angeordnetes Turbinenrad vollumfänglich umfasst. Die Berstschutzvorrichtung ist als Einsatzstück ausgebildet und um eine zentrale Achse in Umfangsrichtung ringförmig an der Turbinengehäuseinnenwand angeordnet, um das Turbinenrad zumindest teilweise zu umgreifen. Dabei weist die Berstschutzvorrichtung wenigstens eine/n erste/n Aussparung/Hohlraum auf. Diese/r Aussparung/Hohlraum ist in der Berstschutzvorrichtung so ausgebildet ist, dass die kinetische Energie von Bruchstücken des Turbinenrads bei dessen Zerbersten durch die Berstschutzvorrichtung aufgrund plastischen Verformens der Berstschutzvorrichtung in die Aussparung bzw. den Hohlraum hinein, aufgenommen wird. Hierfür ist die erste Aussparung einseitig in Richtung des Turbinengehäuses geöffnet.
[0011] Aufgrund der lastgerechten Konstruktion der rotornahen Berstschutzvorrichtung kann bereits mit Eintritt eines Initialschadens, insbesondere dem Zerbersten einer Rotorkomponente, die darin enthaltene kinetische Energie durch gezielte Verformung unmittelbar im Bereich der/des wenigstens einen Aussparung/Hohlraums abgebaut werden und die auftretenden Kräfte in Strukturen geleitet werden, die bei Versagen kein Verletzungsrisiko für Personen in der Nähe erzeugen. Ein Hohlraum ist dabei ein leerer oder mit einem Medium gefüllter, umschlossener hohler Raum im Inneren der Berstschutzvorrichtung. Als lastgerecht wird dabei ein gezieltes Verformen bis hin zu einem gewünschten lokalen Versagen der Berstschutzvorrichtung angenommen, damit eine ungewollte Lastverteilung auf andere Strukturbereiche vermieden wird. Aufgrund einer gezielten Abstimmung einer Steifigkeit der Berstschutzvorrichtung mittels der/des wenigstens einen Aussparung/Hohlraums, kann im Schadensfall ein Maximum an Rotationsenergie bereits im Inneren der Gasturbomaschine abgebaut werden. Die geometrische Gestaltung der Aussparung ist dabei für die Aufnahme der kinetischen Energie und für die Verformung der Berstschutzvorrichtung maßgeblich. Der Effekt der Energieaufnahme wird dadurch begünstigt, dass die wenigstens erste Aussparung in Richtung des Turbinengehäuses geöffnet ist, da Kräfte die in Richtung des Turbinengehäuses wirken auf diese Weise zunächst eine Verformung der Berstschutzvorrichtung bewirken und Anteile dieser Kräfte in andere Strukturen weitergeleitet werden, bevor die Kräfte auf das Turbinengehäuse übertragen werden.
[0012] In einer vorteilhaften Ausführungsvariante ist vorgesehen, dass die/der wenigstens eine erste Aussparung/Hohlraum die Berstschutzvorrichtung radial vollständig kanalartig durchläuft. Dabei ist es günstig, dass somit über den gesamten Radialumfang der Berstschutzvorrichtung eine Aussparung zur Aufnahme der kinetischen Energie von Bruchstücken des Turbinenrads bei dessen Zerbersten zur Verfügung gestellt ist.
[0013] Die Berstschutzvorrichtung ist vorzugsweise einstückig ausgebildet. Dadurch wird die gezielte Anpassung der Steifigkeit und Ausrichtung der Verformung vereinfacht, da keine weiteren Randbedingungen aufgrund einer mehrteiligen Berstschutzvorrichtung berücksichtigt werden müssen. Somit wird die Energieaufnahme und Kraftweiterleitung begünstigt.
[0014] In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist vorgesehen, dass die Turbinengehäuseinnenwand eine Turbinengehäuseaussparung aufweist, die das Turbinengehäuse radial teilweise oder vollständig durchläuft und einseitig in Richtung Berstschutzvorrichtung geöffnet ist. Vorteilhaft daran ist, dass mittels der Turbinengehäuseaussparung ein Bereich ausgebildet ist, der Platz für die Aufnahme verformter Bereiche der Berstschutzvorrichtung bereitstellt. Dadurch verformt sich die Berstschutzvorrichtung zunächst in Richtung der Turbinengehäuseaussparung und nimmt dabei einen Großteil der kinetischen Energie der zerborstenen Turbinenradkomponenten auf bevor diese kinetische Energie direkt weiter in das Turbinengehäuse geleitet wird.
[0015] Ferner ist eine Ausführung günstig, bei der die Berstschutzvorrichtung eine zweite Aussparung aufweist, die von der ersten Aussparung getrennt und beabstandet ist, die Berstschutzvorrichtung radial teilweise oder vollständig kanalartig durchläuft und einseitig in Richtung Turbinengehäuse geöffnet ist. Ein/e weitere/r Aussparung/Hohlraum optimiert die Berstschutzvorrichtung hinsichtlich dessen Verformung und Aufnahme der kinetischen Energie.
[0016] Vorzugsweise ist die Berstschutzvorrichtung so ausgebildet, dass die/der zweite Aussparung/Hohlraum in Radialrichtung gegenüberliegend der Turbinengehäuseaussparung angeordnet ist. Aufgrund dieser Anordnung der/des Aussparung/Hohlraums wird eine Verformung der Berstschutzvorrichtung in Richtung der Turbinengehäuseaussparung begünstigt.
[0017] In einer weiteren vorteilhaften Variante ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Berstschutzvorrichtung zwischen der/dem ersten und zweiten Aussparung/Hohlraum einen sich in Radialrichtung erstreckenden Vorsprung aufweist, der vorzugsweise mit seiner Stirnseite an der Turbinengehäuseinnenwand anliegt. Dabei ist günstig, dass der Vorsprung bei einem fehlerfreien Betrieb durch das Anliegen an der Turbinengehäuseinnenwand die Berstschutzvorrichtung gegen Positionsveränderungen in der Radialrichtung fixiert. Der Vorsprung liegt in einem Bereich angrenzend zu der Turbinengehäuseaussparung an dem Turbinengehäuse an. Auf diese Weise resultiert, dass sich der Vorsprung beim Verformen der Berstschutzvorrichtung aufgrund eines zerborstenen Turbinenrads in der Turbinengehäuseaussparung hinein verformt, wodurch zunächst ein Großteil der kinetischen Energie der zerborstenen Turbinenradkomponenten in die Verformungsenergie der Berstschutzvorrichtung gewandelt wird anstatt sämtliche Energie direkt über den Vorsprung an das Turbinengehäuse zu leiten.
[0018] Die erfindungsgemäße Berstschutzvorrichtung ist in einer Ausführungsvariante ausgebildet, dass wenigstens ein/e Aussparung/Hohlraum eine Füllung zur Aufnahme zumindest eines Teils der kinetischen Energie von Bruchstücken des Turbinenrads bei dessen Zerbersten aufweist. Dabei ist günstig, dass die Füllung aus einem plastisch verformbaren Material besteht, welche die Energieaufnahme durch die Berstschutzvorrichtung weiter optimiert.
[0019] Weiter vorteilhaft ist es, wenn eine nach radial innen gerichtete Innenwand der Berstschutzvorrichtung einseitig eine Abgaszuführung ausbildet und die Berstschutzvorrichtung in einer Querschnittsrichtung trichterförmig ausgebildet ist.
[0020] In einer Weiterbildung der vorliegenden Berstschutzvorrichtung ist ferner vorgesehen, dass die Innenwand der Berstschutzvorrichtung mit dem Turbinenrad einen Strömungskanal ausbildet.
[0021] In einer vorteilhaften Ausführungsform liegt ein Endabschnitt der Berstschutzvorrichtung an einem Auslass des Strömungskanals an der Turbinengehäuseinnenwand an, sodass die Öffnung der/des ersten Aussparung/Hohlraums, der zwischen dem Vorsprung und dem Endabschnitt ausgebildet ist, vollständig an der Turbinengehäuseinnenwand angeordnet ist.
[0022] Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel sieht vor, dass die Berstschutzvorrichtung mittels Befestigungsmittel an dem Turbinengehäuse abnehmbar fixiert ist.
[0023] In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Gasturbomaschine ein Turbolader, insbesondere ein Radialturbolader.
[0024] Andere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet bzw. werden nachstehend zusammen mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführung der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigt: Fig. 1 eine perspektivische Teilschnitt-Ansicht eines Ausführungsbeispiels einer Berstschutzvorrichtung für eine Gasturbomaschine.
[0025] Die Erfindung wird im Folgenden mit Bezug auf die Figur 1 anhand eines exemplarischen Ausführungsbeispiels beschrieben, wobei gleiche Bezugszeichen auf gleiche strukturelle und/oder funktionale Merkmale hinweisen.
[0026] In Figur 1 ist eine perspektivische Teilschnittansicht eines Ausführungsbeispiels einer Berstschutzvorrichtung 1 für eine Gasturbomaschine 10 dargestellt.
[0027] Die dargestellte Gasturbomaschine 10 umfasst eine Berstschutzvorrichtung 1 und ein Turbinengehäuse 20, das ein drehbar angeordnetes Turbinenrad 21 aufweist und dieses vollumfänglich umfasst. Ferner ist die einstückig ausgebildete Berstschutzvorrichtung 1 um eine zentrale Achse A an der Turbinengehäuseinnenwand 22 anliegend angeordnet und umgreift das Turbinenrad 21 in diesem Ausführungsbeispiel nahezu vollständig. Die Turbinengehäuseinnenwand 22 weist eine Turbinengehäuseaussparung 23 auf, die einseitig in Richtung Berstschutzvorrichtung 1 geöffnet ist.
[0028] Die Berstschutzvorrichtung 1 umfasst eine erste Aussparung 2 und eine von der ersten Aussparung 2 getrennt und beabstandete zweite Aussparung 3 auf. Die beiden Aussparungen 2, 3 in der Berstschutzvorrichtung 1 sind so ausgebildet ist, dass die kinetische Energie von Bruchstücken des Turbinenrads 21 bei dessen Zerbersten durch die Berstschutzvorrichtung 1 aufgrund plastischen Verformens des Materials der Berstschutzvorrichtung 1 in die Aussparungen 2, 3 aufgenommen wird. Hierfür sind die erste und die zweite Aussparung 2, 3 einseitig in Richtung des Turbinengehäuses 20 geöffnet. Außerdem ist die zweite Aussparung 3 in Radialrichtung der Turbinengehäuseaussparung 23 gegenüberliegend angeordnet.
[0029] Ferner weist die Berstschutzvorrichtung 1 zwischen der ersten und zweiten Aussparung 2, 3 einen sich in Radialrichtung erstreckenden Vorsprung 4 auf. Dieser Vorsprung 4 liegt direkt mit seiner Stirnseite an der Turbinengehäuseinnenwand 22 an.
[0030] Beide Aussparungen 2, 3 der Berstschutzvorrichtung 1 weisen eine Füllung 5 zur Aufnahme zumindest eines Teils der kinetischen Energie von Bruchstücken des Turbinenrads 21 bei dessen Zerbersten auf. Ein Endabschnitt der Berstschutzvorrichtung 1 liegt an dem Auslass des Strömungskanals 8 direkt an der Turbinengehäuseinnenwand 22 an. Somit ist die Öffnung der ersten Aussparung 2, die zwischen dem Vorsprung 4 und dem Endabschnitt ausgebildet ist, vollständig an der Turbinengehäuseinnenwand 22 angeordnet ist.
[0031] Die nach radial innen gerichtete Innenwand 7 der Berstschutzvorrichtung 1 bildet einseitig eine Abgaszuführung 6 aus. Außerdem ist Berstschutzvorrichtung 1 in der Querschnittsrichtung trichterförmig und die Innenwand 7 der Berstschutzvorrichtung 1 bildet mit dem Turbinenrad 21 einen Strömungskanal 8 aus.
[0032] Die Berstschutzvorrichtung 1 ist mittels Befestigungsmittel 9 an dem Turbinengehäuse 20 abnehmbar fixiert.
[0033] Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf die vorstehend angegebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch macht.

Claims (13)

1. Gasturbomaschine (10), insbesondere Radialgasturbomaschine, mit einer Berstschutzvorrichtung (1) und mit einem Turbinengehäuse (20), das ein in dem Turbinengehäuse (20) drehbar angeordnetes Turbinenrad (21) vollumfänglich umfasst, wobei die Berstschutzvorrichtung (1) als Einsatzstück ausgebildet ist und um eine zentrale Achse (A) in Umfangsrichtung ringförmig an der Turbinengehäuseinnenwand (22) angeordnet ist, um das Turbinenrad (21) zumindest teilweise zu umgreifen, wobei die Berstschutzvorrichtung (1) wenigstens eine/n erste/n Aussparung/Hohlraum (2) aufweist, wobei diese/r Aussparung/Hohlraum (2) in der Berstschutzvorrichtung (1) so ausgebildet ist, dass die kinetische Energie von Bruchstücken des Turbinenrads (21) bei dessen Zerbersten durch die Berstschutzvorrichtung (1) aufgrund plastischen Verformens der Berstschutzvorrichtung (1) in die Aussparung/den Hohlraum (2) hinein aufgenommen wird und dazu die/der erste Aussparung/Hohlraum (2) einseitig in Richtung des Turbinengehäuses (20) geöffnet ist.
2. Gasturbomaschine (10) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die/der wenigstens eine erste Aussparung/Hohlraum (2) die Berstschutzvorrichtung (1) in Umfangsrichtung teilweise oder vollständig kanalartig durchläuft.
3. Gasturbomaschine (10) gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Berstschutzvorrichtung (1) einstückig oder mehrteilig ausgebildet ist.
4. Gasturbomaschine (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbinengehäuseinnenwand (22) eine Turbinengehäuseaussparung (23) aufweist, die das Turbinengehäuse (20) radial teilweise oder vollständig durchläuft und einseitig in Richtung Berstschutzvorrichtung (1) geöffnet ist.
5. Gasturbomaschine (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Berstschutzvorrichtung (1) weitere Aussparungen/Hohlräume (3) aufweist, die/der von der/dem ersten Aussparung/Hohlraum (2) getrennt und beabstandet ist, die Berstschutzvorrichtung (1) in Umfangsrichtung teilweise oder vollständig kanalartig durchläuft und einseitig in Richtung Turbinengehäuse (20) geöffnet ist.
6. Gasturbomaschine (10) gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die/der zweite Aussparung/Hohlraum (3) in Radialrichtung gegenüberliegend der Turbinengehäuseaussparung (23) angeordnet ist.
7. Gasturbomaschine (10) gemäß einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Berstschutzvorrichtung (1) zwischen der/dem ersten und zweiten Aussparung/Hohlraum (2, 3) einen sich in Radialrichtung erstreckenden Vorsprung (4) aufweist, der vorzugsweise mit seiner Stirnseite an der Turbinengehäuseinnenwand (22) anliegt.
8. Gasturbomaschine (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens einer der genannten Aussparungen/Hohlräume (2, 3) eine Füllung (5) zur Aufnahme zumindest eines Teils der kinetischen Energie von Bruchstücken des Turbinenrads (21) bei dessen Zerbersten aufweist.
9. Gasturbomaschine (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine nach radial innen gerichtete Innenwand (7) der Berstschutzvorrichtung (1) einseitig eine Abgaszuführung (6) ausbildet und dass die Berstschutzvorrichtung (1) in diesem Bereich trichterförmig ausgebildet ist.
10. Gasturbomaschine (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenwand (7) der Berstschutzvorrichtung (1) mit dem Turbinenrad (21) einen Strömungskanal (8) ausbildet.
11. Gasturbomaschine (10) gemäß einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein Endabschnitt der Berstschutzvorrichtung (1) an einem Auslass des Strömungskanals (8) an der Turbinengehäuseinnenwand (22) anliegt, sodass die Öffnung der/des ersten Aussparung/Hohlraums (2), der zwischen dem Vorsprung (4) und dem Endabschnitt ausgebildet ist, vollständig an der Turbinengehäuseinnenwand (22) angeordnet ist.
12. Gasturbomaschine (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Berstschutzvorrichtung (1) mittels Befestigungsmittel (9) an dem Turbinengehäuse (20) abnehmbar fixiert ist.
13. Gasturbomaschine (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie ein Turbolader (10) ist, insbesondere ein Radialturbolader.
CH001357/2019A 2018-11-20 2019-10-24 Gasturbomaschine, insbesondere Radialgasturbomaschine, mit einer Berstschutzvorrichtung. CH715597B1 (de)

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