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CH720929A2 - Turbine und Turbolader mit einer Turbine - Google Patents

Turbine und Turbolader mit einer Turbine Download PDF

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CH720929A2
CH720929A2 CH000730/2024A CH7302024A CH720929A2 CH 720929 A2 CH720929 A2 CH 720929A2 CH 000730/2024 A CH000730/2024 A CH 000730/2024A CH 7302024 A CH7302024 A CH 7302024A CH 720929 A2 CH720929 A2 CH 720929A2
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CH
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turbine
nozzle ring
housing
base body
blades
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CH000730/2024A
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English (en)
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Leitenmeier Christoph
Rost Stefan
Spengler Sebastian
Klima Jiri
Bozek Lukás
Uhlenbrock Santiago
Weihard Stefan
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Man Energy Solutions Se
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Abstract

Turbine (2), mit einem Turbinengehäuse (4), mit einem im Turbinengehäuse (4) aufgenommenen Turbinenrotor (5), wobei das Turbinengehäuse (4) ein Zuströmgehäuse (11), ein Abströmgehäuse und einen Düsenring (15) aufweist, wobei der Düsenring (15) einen Grundkörper (15a) und vom Grundkörper (15a) in Axialrichtung des Turbinenrotors (5) abstehende Schaufeln (15b) aufweist, die in einen sich ausgehend vom Zuströmgehäuse (11) in Richtung auf den Turbinenrotor (5) erstreckenden Überströmkanal (17) hineinragen, und mit mindestens einem federelastischen Element (20), welches den Düsenring (15) in Axialrichtung des Turbinenrotors (5) mit den vom Grundkörper (15a) des Düsenrings (15) abgewandten Enden der Schaufeln (15b) des Düsenrings (15) gegen eine statorseitige Baugruppe drückt.

Description

[0001] Die Erfindung betrifft eine Turbine und einen Turbolader mit einer Turbine.
[0002] Turbinen dienen der Entspannung eines gasförmigen Mediums, um bei der Entspannung des gasförmigen Mediums mechanische Energie zu gewinnen. Turbinen werden auch als Expander bezeichnet. Eine Turbine verfügt über ein Turbinengehäuse und einen im Turbinengehäuse aufgenommenen Turbinenrotor. Bei einer Radialturbine ist der Turbinenrotor in Radialrichtung vom zu entspannenden Medium angeströmt und in Axialrichtung vom entspannten Medium abgeströmt. In Turboladern kommen typischerweise derartige Radialturbinen zum Einsatz.
[0003] Fig. 1 zeigt den grundsätzlichen Aufbau eines aus der Praxis bekannten Turboladers 1. Ein Turbolader 1 verfügt über eine Turbine 2 zur Entspannung eines ersten Mediums, insbesondere zur Entspannung von Abgas einer Brennkraftmaschine, wobei bei der Entspannung des ersten Mediums Energie gewonnen wird. Ferner umfasst der Turbolader 1 einen Verdichter 3 zur Verdichtung eines zweiten Mediums, insbesondere von einer Brennkraftmaschine zuzuführender Ladeluft, und zwar unter Nutzung der bei der Entspannung des ersten Mediums in der Turbine 2 gewonnenen Energie.
[0004] Die Turbine 2 verfügt über ein Turbinengehäuse 4 und einen Turbinenrotor 5. Der Verdichter 3 verfügt über ein Verdichtergehäuse 6 sowie einen Verdichterrotor 7. Turbinenrotor 5 und Verdichterrotor 7 sind über eine Welle 8 gekoppelt, die in einem Lagergehäuse 9 gelagert ist. Das Lagergehäuse 9 ist einerseits mit dem Turbinengehäuse 4 und andererseits mit dem Verdichtergehäuse 6 verbunden. Fig. 1 zeigt weiterhin einen optionalen Schalldämpfer 10, der mit dem Verdichtergehäuse 6 verbunden ist, wobei über den Schalldämpfer 10 Ladeluft geführt wird.
[0005] Das Turbinengehäuse 4 umfasst ein Zuströmgehäuse 11 und ein Abströmgehäuse 12. Über das Zuströmgehäuse 11 wird das zu entspannende erste Medium dem Turbinenrotor 5 zugeführt, hier in Radialrichtung Y. Über das Abströmgehäuse 12 kann vom Turbinenrotor 5 das entspannte erste Medium abgeführt werden, hier in Axialrichtung X. Die Turbine der Fig. 1 ist eine Radialturbine. Als statorseitige Bestandteile des Turbinengehäuses 4 zeigt Fig. 1 weiterhin ein Einsatzstück 13 sowie einen Düsenring 15. Das Einsatzstück 13, bei welchem es sich um eine mit dem Turbinengehäuse 4 verbundene, statorseitige Baugruppe der Turbine 2 handelt, schließt sich radial außen an Laufschaufeln 14 des Turbinenrotors 5 an und begrenzt einen Strömungskanal des Zuströmgehäuses 11 zumindest abschnittsweise. Radial äußere Kanten 14a der Laufschaufeln 14 des Turbinenrotors 5 und ein den Laufschaufeln 14 des Turbinenrotors 5 zugewandter Abschnitt des Turbinengehäuses 4 bzw. des mit dem Turbinengehäuse 4 verbundenen Einsatzstücks 13 definieren einen turbinenseitigen Spalt zwischen den Laufschaufeln 14 des Turbinenrotors 5 und dem Stator der Turbine 2.
[0006] Das im Bereich des Turbinenrotors 5 zu entspannende, gasförmige erste Medium strömt ausgehend vom Zuströmgehäuse 11 der Turbine 2 über einen Überströmkanal 17 in Richtung auf den Turbinenrotor 5, wobei der statorseitige Düsenring 15 im Bereich dieses Überströmkanals 17 angeordnet ist. Der Düsenring 15 verfügt über einen in Fig. 1 im Detail nicht gezeigten Grundkörper sowie über vom Grundkörper in Axialrichtung X des Turbinenrotors 5 abstehende, in Fig. 1 ebenfalls im Detail nicht gezeigte Schaufeln, die in den Überströmkanal 17 hineinragen.
[0007] Der Verdichterrotor 7, der in Fig. 1 als Radialverdichter ausgeführt ist, trägt Laufschaufeln 16. Radial äußere Kanten 16a der Laufschaufeln 16 des Verdichters 3 und ein den Laufschaufeln 16 des Verdichters 3 zugewandter Abschnitt des Verdichtergehäuses 6 oder eines mit dem Verdichtergehäuse verbundenen statorseitigen Bauteils definieren einen verdichterseitigen Spalt zwischen Laufschaufeln 16 des Verdichters 3 und dem Stator des Verdichters 2.
[0008] Ein Turbolader gemäß Fig. 1 ist aus der DE 10 2016 125 189 A1 bekannt.
[0009] Wie oben bereits ausgeführt, erstrecken sich in dem Überströmkanal 17 der Turbine 2, über welchen das in der Turbine 2 zu entspannende Medium ausgehend vom Zuströmgehäuse 11 der Turbine 2 in Richtung auf den Turbinenrotor 5 derselben strömt, Schaufeln des Düsenrings 15, wobei Enden dieser Schaufeln des Düsenrings 15 an einer statorseitigen Baugruppe der Turbine 2 anliegen. Da im Betrieb der Düsenring 15 samt seinen Schaufeln und das Turbinengehäuse 4 einer unterschiedlichen thermischen Ausdehnung unterliegen, muss ein sogenannter Kaltspalt zwischen den Enden der Schaufeln des Düsenrings 15 und der den Enden der Schaufeln des Düsenrings 15 zugewandten statorseitigen Baugruppe der Turbine 2 eingestellt werden, damit die stärkere thermische Ausdehnung des Düsenrings 15 insbesondere beim Hochfahren der Turbine bzw. des Turboladers 1 über einen ausreichend großen Kaltspalt abgefangen werden kann. Die Folge eines ausreichend großen Kaltspalts ist jedoch, dass sich im Betrieb nach dem vollständigen Durchheizen der Bauteile ein wirkungsgradverlustbehafteter Spalt im Bereich des Düsenrings 15 einstellen kann. Eine in Umfangsrichtung vollständige Schließung eines solchen Spalts ist im Betrieb bislang nicht möglich. Derartige Undichtigkeiten im Bereich des Düsenrings reduzieren den Wirkungsgrad der Turbine 2.
[0010] Es besteht Bedarf an einer Turbine und an einem Turbolader mit einer Turbine, bei welchen eine Undichtigkeit im Bereich des Düsenrings der Turbine reduziert werden kann. Aufgabe der Erfindung ist es, eine solche Turbine und einen solchen Turbolader zu schaffen. Diese Aufgabe wird durch eine Turbine nach Anspruch 1 gelöst. Erfindungsgemäß weist die Turbine mindestens ein federelastisches Element auf, welches den Düsenring in Axialrichtung des Turbinenrotors mit den vom Grundkörper des Düsenrings abgewandten Enden der Schaufeln des Düsenrings gegen eine statorseitige Baugruppe drückt.
[0011] Durch die Erfindung kann im Betrieb ein Spalt im Bereich des Düsenrings eliminiert oder nahezu vollständig eliminiert werden. Hierdurch kann der Wirkungsgrad der Turbine gesteigert werden.
[0012] Insbesondere ist das mindestens eine federelastische Element integraler Bestandteil des Grundkörpers des Düsenrings. Alternativ ist das mindestens eine federelastische Element als separate Baugruppe ausgebildet. Insbesondere dann, wenn das mindestens eine federelastische Element als separate Baugruppe ausgeführt ist, ist der Aufbau der Turbine konstruktiv besonders einfach.
[0013] Insbesondere drückt das mindestens eine federelastische Element die vom Grundkörper des Düsenrings abgewandten Enden der Schaufeln des Düsenrings gegen ein Einsatzstück oder gegen das Zuströmgehäuse. Alternativ drückt das mindestens eine federelastische Element die vom Grundkörper des Düsenrings abgewandten Enden der Schaufeln des Düsenrings gegen einen Deckel oder Hitzeschild. Unabhängig von der Einbausituation des Düsenrings, nämlich der Position des Grundkörpers desselben, kann ein Spalt im Bereich des Düsenrings im Betrieb eliminiert oder nahezu vollständig eliminiert werden.
[0014] Der erfindungsgemäße Turbolader ist in Anspruch 7 definiert.
[0015] Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung. Ausführungsbeispiele der Erfindung werden, ohne hierauf beschränkt zu sein, an Hand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt: Fig. 1: einen Querschnitt durch einen aus dem Stand der Technik bekannten Turbolader; Fig. 2 ein Detail eines erfindungsgemäßen Turboladers im Bereich der Turbine desselben; Fig. 3 ein alternatives Detail eines erfindungsgemäßen Turboladers im Bereich der Turbine desselben; Fig. 4 ein Detail eines Düsenrings einer Turbine.
[0016] Ein Turbolader 1 verfügt über eine Turbine 2 zur Entspannung eines ersten Mediums, insbesondere zur Entspannung von Abgas einer Brennkraftmaschine. Ferner verfügt ein Turbolader 1 über einen Verdichter 3 zur Verdichtung eines zweiten Mediums, insbesondere von Ladeluft, und zwar unter Nutzung von in der Turbine 2 bei der Entspannung des ersten Mediums gewonnener Energie. Die Turbine 2 verfügt über ein Turbinengehäuse 4 und einen Turbinenrotor 5. Der Verdichter 3 verfügt über ein Verdichtergehäuse 6 und einen Verdichterrotor 7. Der Verdichterrotor 7 ist mit dem Turbinenrotor 5 über eine Welle 8 gekoppelt, die in einem Lagergehäuse 9 gelagert ist, wobei das Lagergehäuse 9 zwischen dem Turbinengehäuse 4 und dem Verdichtergehäuse 6 positioniert und sowohl mit dem Turbinengehäuse 4 als auch mit dem Verdichtergehäuse 6 verbunden ist. Dieser grundsätzliche Aufbau eines Turboladers 1 ist dem hier angesprochenen Fachmann geläufig und wurde bereits unter Bezugnahme auf Fig. 1 beschrieben. Die hier vorliegende Erfindung betrifft insbesondere die Turbine 2 eines Turboladers 1. Die Erfindung kann jedoch auch bei anderen Turbinen zum Einsatz kommen, die auch als Expander bezeichnet werden. Nachfolgend wird jedoch die Erfindung unter Bezugnahme auf eine Turbine eines Turboladers beschrieben.
[0017] In Fig. 2 ist vom Turbinengehäuse 4 der Turbine 2 das Zuströmgehäuse 11 gezeigt. Ferner ist das Einsatzstück 13 der Turbine 2 gezeigt, welches sich radial außen an die Laufschaufeln 14 des Turbinenrotors 5 anschließt. Vom Lagergehäuse 9 ist ein Deckel 18 gezeigt, an den sich ein Deckel bzw. Hitzeschild 19 des Turbinengehäuses 4 anschließt. Radial außen des Einsatzstücks 13 ist in Axialrichtung gesehen zwischen dem Deckel bzw. Hitzeschild 19 und dem Zuströmgehäuse 11 des Turbinengehäuses 4 der Düsenring 15 angeordnet.
[0018] Der Düsenring 15 verfügt über einen Grundkörper 15a sowie über in Axialrichtung des Turbinenrotors 5 gesehen gegenüber dem Grundkörper 15a vorstehende Schaufeln 15b, die in den Überströmkanal 17 hineinragen. Über den Überströmkanal 17 und die Schaufeln 15b des Düsenrings 15 strömt das zu entspannende Medium vom Zuströmgehäuse 11 in den Bereich des Turbinenrotors 5. In Fig. 2 sind demnach Enden der Laufschaufeln 15b dem Deckel bzw. Hitzeschild 19 zugewandt, derart, dass sich die Schaufeln 15b des Düsenrings 15 ausgehend vom Grundkörper 15a in Richtung auf das Lagergehäuse 9 erstrecken.
[0019] Im Sinne der hier vorliegenden Erfindung verfügt die Turbine 2 über mindestens ein federelastisches Element 20, welches den Düsenring 15 - in Axialrichtung des Turbinenrotors 5 gesehen - mit den vom Grundkörper 15a des Düsenrings 15 abgewandten Enden der Schaufeln 15b des Düsenrings 15 gegen eine statorseitige Baugruppe drückt, im Ausführungsbeispiel der Fig. 2 gegen den Deckel bzw. das Hitzeschild 19 der Turbine 2 in Richtung auf das Lagergehäuse 9 hin.
[0020] Hierdurch ist es möglich, trotz Einstellung eines Kaltspalts zwischen dem Hitzeschild 19 und den Schaufeln 15b des Düsenrings 15 im Betrieb den Spalt vollständig oder nahezu vollständig zu schließen bzw. zu eliminieren und so einen hohen Wirkungsgrad bereitzustellen. Ferner besteht keine oder so gut wie keine Gefahr, dass sich eine Verbindung zwischen dem Turbinengehäuse 4 und dem Lagergehäuse 9, die über eine Spannpratze 21 bereitgestellt wird, infolge von Zwangskräften ungewollt verformt bzw. löst und so für eine Undichtigkeit sorgt. Im Ausführungsbeispiel der Fig. 2 sind zwei als Tellerfedern ausgebildete, federelastische Elemente 20 gezeigt, die auf einem Stift 22 angeordnet sind. Die Tellerfedern 20 stützen sich entweder direkt oder indirekt über den Stift 22 am Grundkörper 15a des Düsenrings 15 ab.
[0021] Fig. 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, in welcher der Grundkörper 15a des Düsenrings 15 dem Deckel bzw. Hitzeschild 19 und damit dem Lagergehäuse 9 zugewandt ist, und bei welchem sich die Schaufeln 15b des Düsenrings 15 ausgehend vom Grundkörper 15a in Axialrichtung des Turbinenrotors gesehen vom Lagergehäuse 9 weg in Richtung auf das Einsatzstück 13 erstrecken. In diesem Fall sind dann die Enden der Schaufeln 15b dem Einsatzstück 13 zugewandt. Ein weiterer Unterschied des Ausführungsbeispiels der Fig. 3 gegenüber dem Ausführungsbeispiel der Fig. 2 besteht darin, dass in Fig. 3 das mindestens eine federelastische Element 20 nicht als separate Baugruppe ausgebildet ist, vielmehr ist in Fig. 3 das federelastische Element 20, welches in Fig. 3 die vom Grundkörper 15a des Düsenrings 15 abgewandten Enden der Schaufeln 15b gegen das statorseitige Einsatzstück 13 drückt, integraler Bestandteil des Deckels bzw. Hitzeschilds 19 der Turbine 2. Dieses federelastische Element 20 stützt sich dabei am Grundkörper 15a des Düsenrings 15 ab und drückt die Schaufeln 15b des Düsenrings 15 weg vom Lagergehäuse 9 in Richtung auf das Einsatzstück 13. In Fig. 3 kann das federelastische Element 20 auch als separate Baugruppe ausgeführt sein, so z.B. als separate Tellerfeder.
[0022] Fig. 4 zeigt eine Abwandlung der Erfindung, in welcher das federelastische Element 20 integraler Bestandteil des Düsenrings 15 ist, nämlich integraler Bestandteil des Grundkörpers 15a des Düsenrings. So sind in den Grundkörper 15a des Düsenrings 15 Ausnehmungen 21 eingebracht, welche die Federelastizität des federelastischen Elements 20 bereitstellen.
[0023] Das mindestens eine federelastische Element 20, welches den Düsenring 15 in Axialrichtung des Turbinenrotors 5 mit dem vom Grundkörper 15a des Düsenrings 15 abgewandten Enden der Schaufeln 15b des Düsenrings 15 gegen eine statorseitige Baugruppe drückt, kann demnach als separate Baugruppe ausgeführt sein oder integraler Bestandteil des Düsenrings, nämlich des Grundkörpers 15a desselben, oder einer dem Grundkörper 15a zugewandten statorseitigen Baugruppe der Turbine 2 sein.
[0024] Das mindestens eine federelastische Element 20 drückt die vom Grundkörper 15a abgewandten Enden der Schaufeln 15b des Düsenrings 15 entweder in Richtung auf den Deckel bzw. den Hitzeschild 19 der Turbine 2 und damit in Richtung auf das Lagergehäuse 9 oder vom Lagergehäuse 9 weg in Richtung auf das Einsatzstück 13. Das Einsatzstück 13 kann integraler Bestandteil des Zuströmgehäuses 4 der Turbine 2 sein.
[0025] Im Betrieb kann ein Kaltspalt zwischen den Enden der Schaufeln 15b des Düsenrings 15 und der jeweiligen statorseitigen Baugruppe vollständig oder nahezu vollständig eliminiert werden. Es treten keine Zwangskräfte auftreten, die eine Verbindung von Zuströmgehäuse 11 und Deckel bzw. Hitzeschild 19 beinträchtigen. Insgesamt kann der Wirkungsgrad einer Turbine 2 gesteigert werden.
[0026] Wie bereits ausgeführt, handelt es sich bei der Turbine 2 vorzugsweise um die Turbine eines Turboladers. Die Erfindung kann jedoch auch bei anderen Turbinen bzw. Expandern zum Einsatz kommen, die im Unterschied zu einem Turbolader keinen Verdichter antreiben, sondern zum Beispiel einen Generator zur Erzeugung elektrischer Energie.
Bezugszeichenliste
[0027] 1 Turbolader 2 Turbine 3 Verdichter 4 Turbinengehäuse 5 Turbinenrotor 6 Verdichtergehäuse 7 Verdichterrotor 8 Welle 9 Lagergehäuse 10 Schalldämpfer 11 Zuströmgehäuse 12 Abströmgehäuse 13 Einsatzstück 14 Laufschaufel 14a Kante 15 Düsenring 15a Grundkörper 15b Schaufel 16 Laufschaufel 16a Kante 17 Überströmkanal 18 Lagergehäusedeckel 19 Deckel/Hitzeschild 20 federelastisches Element 21 Spannpratze 22 Sift X Axialrichtung Y Radialrichtung

Claims (9)

1. Turbine (2), mit einem Turbinengehäuse (4), mit einem im Turbinengehäuse (4) aufgenommenen Turbinenrotor (5), wobei das Turbinengehäuse (4) ein Zuströmgehäuse (11), ein Abströmgehäuse (12) und einen Düsenring (15) aufweist, wobei der Düsenring (15) einen Grundkörper (15a) und vom Grundkörper (15a) in Axialrichtung des Turbinenrotors (5) abstehende Schaufeln (15b) aufweist, die in einen sich ausgehend vom Zuströmgehäuse (11) in Richtung auf den Turbinenrotor (5) erstreckenden Überströmkanal (17) hineinragen, gekennzeichnet durch mindestens ein federelastisches Element (20), welches den Düsenring (15) in Axialrichtung des Turbinenrotors (5) mit den vom Grundkörper (15a) des Düsenrings (15) abgewandten Enden der Schaufeln (15b) des Düsenrings (15) gegen eine statorseitige Baugruppe drückt.
2. Turbine nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet,dassdas mindestens eine federelastische Element (20) integraler Bestandteil des Grundkörpers (15a) des Düsenrings (15) oder integraler Bestandteil einer dem Grundkörper (15a) des Düsenrings (15) zugewandten, statorseitigen Baugruppe ist.
3. Turbine nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet,dassdas mindestens eine federelastische Element (20) als separate Baugruppe ausgebildet ist.
4. Turbine nach einem der Ansprüche 1 bis 3,dadurch gekennzeichnet,dassdas mindestens eine federelastische Element (20) die vom Grundkörper (15a) des Düsenrings (15) abgewandten Enden der Schaufeln (15b) des Düsenrings (15) gegen ein Einsatzstück (13) drückt.
5. Turbine nach einem der Ansprüche 1 bis 3,dadurch gekennzeichnet,dassdas mindestens eine federelastische Element (20) die vom Grundkörper (15a) des Düsenrings (15) abgewandten Enden der Schaufeln (15b) des Düsenrings (15) gegen das Zuströmgehäuse (11) drückt.
6. Turbine nach einem der Ansprüche 1 bis 3,dadurch gekennzeichnet,dassdas mindestens eine federelastische Element (20) die vom Grundkörper (15a) des Düsenrings (15) abgewandten Enden der Schaufeln (15b) des Düsenrings (15) gegen einen Deckel oder Hitzeschild (19) drückt.
7. Turbolader (1), mit einer Turbine (2) zur Entspannung eines ersten Mediums nach einem der Ansprüche 1 bis 6, mit einem einen Verdichterrotor (7) und ein Verdichtergehäuse (6) aufweisenden Verdichter (3) zur Verdichtung eines zweiten Mediums unter Nutzung von in der Turbine (2) bei der Entspannung des ersten Mediums gewonnener Energie, mit einem Lagergehäuse (9), welches zwischen der Turbine (2) und dem Verdichter (3) angeordnet ist und in welchem eine den Turbinenrotor (5) und den Verdichterrotor (7) koppelnde Welle (8) drehbar gelagert ist.
8. Turbolader (1) nach Anspruch 7,dadurch gekennzeichnet,dassder Grundkörper (15a) des Düsenrings (15) auf einer dem Lagergehäuse (9) zugewandten Seite des Überströmkanals (17) angeordnet ist, und dass das mindestens eine federelastische Element (15b) die vom Grundkörper (15a) des Düsenrings (15) abgewandten Enden der Schaufeln (15b) des Düsenrings (15) in einer Richtung weg vom Lagergehäuse (9) drückt.
9. Turbolader (1) nach Anspruch 7,dadurch gekennzeichnet,dassder Grundkörper (15a) des Düsenrings (15) auf einer von dem Lagergehäuse (9) abgewandten Seite des Überströmkanals (17) angeordnet ist, und dass das mindestens eine federelastische Element (20) die vom Grundkörper (15a) des Düsenrings (15) abgewandten Enden der Schaufeln (15b) des Düsenrings (15) in einer Richtung auf das Lagergehäuse (9) drückt.
CH000730/2024A 2023-07-10 2024-07-08 Turbine und Turbolader mit einer Turbine CH720929A2 (de)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102023118123.8A DE102023118123A1 (de) 2023-07-10 2023-07-10 Turbine und Turbolader mit einer Turbine

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