DE102004018987B4

DE102004018987B4 - Berstschutz für eine Turbomaschine, insbesondere für eine Radialturbomaschine

Info

Publication number: DE102004018987B4
Application number: DE200410018987
Authority: DE
Inventors: Ronald Dipl.-Ing. Hegner; Ingo Dipl.-Ing. Krone; Robert Dipl.-Ing. Hegele; Thomas Dipl.-Ing. Zink
Original assignee: MTU Friedrichshafen GmbH
Current assignee: Rolls Royce Solutions GmbH
Priority date: 2004-04-20
Filing date: 2004-04-20
Publication date: 2006-03-02
Anticipated expiration: 2024-04-21
Also published as: DE102004018987A1

Abstract

Berstschutz für eine Turbomaschine, insbesondere für eine Radialturbomaschine, die ein Turbinengehäuse (2) und ein in dem Turbinengehäuse (2) sich drehendes Turbinenrad (3) umfasst, mit einer den Umfang des Turbinengehäuses (2) umgebenden bandförmigen Struktur aus einem Material hoher Durchschlagsfestigkeit, dadurch gekennzeichnet, dass die bandförmige Struktur (5) aus einem endlos geschlossenen Band aus einem textilen Fasermaterial hoher Durchschlagsfestigkeit besteht, das unter Bildung von Befestigungsaugen (6, 7) an zwei entgegengesetzten Enden flach zusammengelegt ist und zumindest einen Teil des Umfangs des Turbinengehäuses (2) in Form einer offenen Schleife umgibt, welche mittels einer durch die Befestigungsaugen (6, 7) verlaufenden Verbindungsstruktur (8, 9, 10, 11) zu einem den Umfang des Turbinengehäuses (2) umgebenden Ring geschlossen ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Berstschutz für eine Turbomaschine, insbesondere für eine Radialturbomaschine, die ein Turbinengehäuse und ein in dem Turbinengehäuse sich drehendes Turbinenrad umfasst, mit einer den Umfang des Turbinengehäuses umgebenden bandförmigen Struktur aus einem Material hoher Durchschlagsfestigkeit, wie im Oberbegriff des Anspruchs 1 vorausgesetzt.
Moderne Hochleistungsturbomaschinen, wie beispielsweise Abgasturbolader großer aufgeladener Brennkraftmaschinen, stellen im Falle eines Versagens der rotierenden Teile ein hohes Risiko für ihre Umgebung dar. Besonders bei Anwendungen, bei denen sich Personen in unmittelbarer Nähe der Maschine befinden können, muss gewährleistet sein, dass im Versagensfall alle austretenden Fragmente und gegebenenfalls entstehende Sekundärsplitterteile sicher und vollständig aufgefangen werden.
Im Motor- bzw. Turboladerbereich werden solche Schutzsysteme für den Fall des Berstens der Turbomaschine vorwiegend aus metallischen Werkstoffen hoher Durchschlagsfestigkeit hergestellt. Bekannt sind Blechkonstruktionen, die in geeigneter Form an die jeweilige Maschine angepasst sind. Nachteilig hierbei ist das relativ hohe Gewicht. Beispielsweise aus der DE 196 40 654 A1 und der DE 102 20 573 C1 sind jeweilige Berstschutzsysteme bekannt, bei denen der Umfang des Turbinengehäuses von einer bandförmigen Struktur aus einem Metallblech hoher Durchschlagsfestigkeit umgeben ist.
Weiterhin ist für den Bereich der Luftfahrt aus der DE 37 12 830 A1 ein Berstschutzring eines Turbotriebwerks bekannt, bei welchem ein aus einem mehrlagig aufgewickelten Fasermaterial hergestellter Bestschutzring den Gefährdungsbereich des Triebwerks umfangsmäßig umgibt. Hierbei ist das Fasermaterial mit einer hochelastischen, warmfesten Matrix versehen.
In der DE 37 04 197 C12 ist ein Berstschutzring aus einem bandförmigen Faserwerkstoff dargestellt. Das einfachlagige Band ist an zwei diametral gegenüberliegenden Stellen geschlitzt. An diesen Stellen sind mit dem Band verbundene Spannvorrichtungen vorgesehen.
Wenn die Turbomaschine eine Radialturbomaschine, etwa ein Abgasturbolader ist, besteht eine Schwierigkeit darin, dass eine den Umfang des Turbinengehäuses umgebende geschlossene Ringstruktur nicht zur Anwendung gebracht werden kann, weil die Zuführung des die Turbomaschine durchströmenden Gases am Turbinengehäuse tangential am Umfang erfolgt. Die den Umfang des Turbinengehäuses umgebende bandförmige Struktur muss also im Bereich der besagten Zuführung eine Unterbrechung aufweisen, welche im Sinne der Herstellung eines geschlossenen Kraftflusses zu überbrücken ist.
Für die Herstellung schützender Strukturen hoher Durchschlagsfestigkeit erweisen sich zunehmend textile Fasermaterialien als vorteilhaft, welche durch „trockene", d.h. nicht harzgebundene Kunstfasern gebildet sind. Diese Fasern sind von der Handhabung her vergleichbar mit textilen Werkstoffen. Sie benötigen jedoch eine Hilfsstruktur, um in Form und Position gehalten zu werden. Konventionelle Methoden wie Greifen, Einspannen, Vernähen stellen keine vorteilhafte Lösung dar, um eine sichere und dauerhafte Funktion zu gewährleisten.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, einen Berstschutz für eine Turbomaschine, insbesondere für eine Radialturbomaschine, zu schaffen, welcher bei geringem Gewicht eine hohe Durchschlagsfestigkeit aufweist.

Diese Aufgabe wird durch einen Berstschutz mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Berstschutzes sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Durch die Erfindung wird ein Berstschutz für eine Turbomaschine, insbesondere für eine Radialturbomaschine, die ein Turbinengehäuse und ein in dem Turbinengehäuse sich drehendes Turbinenrad umfasst, geschaffen. Der Berstschutz umfasst eine den Umfang des Turbinengehäuses umgebende bandförmige Struktur aus einem Material hoher Durchschlagsfestigkeit. Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, dass die bandförmige Struktur aus einem endlos geschlossenen Band aus einem textilen Fasermaterial hoher Durchschlagsfestigkeit besteht, das unter Bildung von Befestigungsaugen an zwei entgegengesetzten Enden flach zusammengelegt ist und zumindest einen Teil des Umfangs des Turbinengehäuses in Form einer offenen Schleife umgibt, welche mittels einer durch die Befestigungsaugen verlaufende Verbindungsstruktur zu einem den Umfang des Turbinengehäuses umgebenden Ring geschlossen ist.

Ein großer Vorteil des erfindungsgemäßen Berstschutzes ist, dass durch die Ausbildung der bandförmigen Struktur in Form eines endlos geschlossenen Bandes mit geschlossener Faserstruktur und geschlossenem Kraftfluss eine hohe Festigkeit der bandförmigen Struktur erreichbar ist. Dadurch, dass mittels der durch die Befestigungsaugen verlaufenden Verbindungsstruktur die bandförmige Faserstruktur zu einem den Um fang des Turbinengehäuses umgebenden, einen vollständigen Kraftfluss über dessen ganzen Umfang darstellenden Ring geschlossen wird, ergibt sich ein das Turbinengehäuse vollständig umgebender Berstschutz hoher Festigkeit. Ein weiterer Vorteil, der bei Turbomaschinen der Axialbauart ebenso zum Tragen kommt wie bei Radialturbomaschinen, ist, dass der Berstschutzring durch einfaches Öffnen der Verbindungsstruktur entfernt werden kann, ohne dass er in Axialrichtung der Turbomaschine abgeschoben werden muss.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Berstschutzes umfasst die Befestigungsstruktur sich durch die Befestigungsaugen der bandförmigen Struktur erstreckende Bolzen und die Bolzen miteinander verbindende Zuganker. Dabei ist die bandförmige Struktur durch die sich durch die Befestigungsaugen erstreckenden Bolzen und die Zuganker im Sinne einer vollständigen Kraftweiterleitung miteinander zu einem geschlossenen Ring verbunden.

Insbesondere kann die Turbomaschine eine Radialturbomaschine sein, welche einen sich vom Umfang des Turbinengehäuses erstreckenden Gasdurchgang zum Zuführen eines die Turbomaschine durchströmenden Gases aufweist, wobei die die Bolzen miteinander verbindenden Zuganker beiderseits des Gasdurchgangs in Umfangsrichtung des Turbinengehäuses verlaufen. Auf diese Weise kann mit großem Vorteil ein Berstschutz für eine Radialturbomaschine geschaffen werden, welcher eine hohe Festigkeit aufweist und das Turbinengehäuse weitestgehend umschließt.

Insbesondere kann die Turbomaschine eine Radialturbomaschine sein, deren Turbinengehäuse eine spiralförmige äußere Umfangsfläche aufweist, wobei die aus dem textilen Fasermaterial bestehende bandförmige Struktur der spiralförmigen äußeren Umfangsfläche des Turbinengehäuses folgend ebenfalls spiralförmig angeordnet ist.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Berstschutzes sind beiderseits der Turbomaschine an ihrem Umfang mit den Seiten der bandförmigen Struktur verbundene, das Turbinengehäuse in axialer Richtung einschließende Seitenwände vorgesehen.

Vorzugsweise sind die Seitenwände durch Haltestreben gegeneinander fixiert.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform hiervon ist die bandförmige Struktur innen und/oder außen mit einer Halteplatte versehen, welche einen Träger für die bandförmige Struktur bildet und (direkt oder indirekt) mit den Seitenwänden verbunden ist.

Insbesondere kann die Halteplatte mit den Haltestreben (und damit über diese mit den Seitenwänden) verbunden sein.

Die Seitenwände können insbesondere durch Schrauben mit den Haltestreben verbunden sein.

Die Halteplatte kann durch Niete mit den Haltestreben verbunden sein.

Vorzugsweise ist das textile Fasermaterial, aus dem die bandförmige Struktur besteht, aus Glasfaser, Aramidfaser, Polyethylenfaser (PE, Dyneema), PBO-Faser (Zylon) oder Kohlefaser oder aus einer Kombination davon hergestellt.

Die Seitenwände können aus einem Metallblech hoher Durchschlagsfestigkeit hergestellt sein.

Die Halteplatte kann aus einem Metallblech hergestellt sein.

Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Berstschutzes anhand der Zeichnung erläutert.
Es zeigt:
1 eine perspektivische Ansicht einer Radialturbomaschine, bei der der Umfang des Turbinengehäuses mit einer bandförmigen Struktur aus einem textilen Fasermaterial als Berstschutz umgeben ist, gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
2a) bis 2c) perspektivische Ansichten der bandförmigen Struktur aus 1 in drei unterschiedlichen Phasen der Herstellung;
3a) bis 3c) einen Berstschutz für eine Radialturbomaschine gemäß dem in 1 und 2 gezeigten Ausführungsbeispiel in seinen verschiedenen Bestandteilen;
4 und 5 jeweils vergrößerte perspektivische Darstellungen von Verbindungen des Berstschutzes gemäß zwei verschiedenen Ausführungsbeispielen.
In 1 ist ein Berstschutz für eine Turbomaschine in Form einer Radialturbomaschine 1 eines Abgasturboladers teilweise dargestellt. Von der Turbomaschine 1 ist das Turbinengehäuse 2 gezeigt, in welchem sich im vollständig montierten Zustand ein Turbinenrad befindet, welches in 1 jedoch nicht gezeigt ist. Den Umfang des Turbinengehäuses 2 umgebend ist eine bandförmige Struktur 5 dargestellt, welche aus einem textilen Fasermaterial hoher Durchschlagsfestigkeit hergestellt ist. Das textile Fasermaterial ist durch „trockene", d.h. nicht harzgebundene Kunstfasern gebildet. Die Kunstfasern können Glasfasern, Aramidfasern oder Kohlefasern oder andere geeignete Kunstfasern oder geeignete Kombinationen von solchen sein.
Wie 2a) zeigt, ist die bandförmige Struktur 5 des textilen Fasermaterials aus einem endlos geschlossenen Band, also einer endlosen Schleife oder einem endlosen Ring hergestellt. Dieses ist unter Bildung von jeweils einem Befestigungsauge 6, 7 an zwei entgegengesetzten Enden flach zusammengelegt.
Mittels einer Verbindungsstruktur 8, 9, 10, 11, die aus zwei sich durch die genannten Befestigungsaugen 6, 7 der bandförmigen Struktur 5 erstreckende Bolzen 8, 9 und die Bolzen 8, 9 miteinander verbindende Zuganker 10, 11 gebildet ist, ist die bandförmige Struktur 5, welche für sich einen Teil des Umfangs des Turbinengehäuses 2 in Form einer offenen Schleife umgibt, zu einem geschlossenen, einen vollständigen Kraftfluss über dessen Umfang gewährleistenden Ring vervollständigt, siehe 2b) und c).
Wie aus 1 ersichtlich ist, verfügt die Radialturbomaschine 1 über einen sich vom Umfang des Turbinengehäuses 2 weg erstreckenden Gasdurchgang 4 zum Zuführen eines die Turbomaschine durchströmenden gasförmigen Mediums. Das Turbinengehäuse 2 weist eine spiralförmige äußere Umfangsfläche auf, und die aus dem textilen Fasermaterial bestehende bandförmige Struktur 5 ist der spiralförmigen äußeren Umfangsfläche des Turbinengehäuses 2 folgend ebenfalls spiralförmig angeordnet.
Die sich durch die Befestigungsaugen 6, 7 der bandförmigen Struktur 5 erstreckenden Bolzen 8, 9 miteinander verbindenden Zuganker 10, 11 sind beiderseits des Gasdurchgangs 4, also in axialer Richtung der Turbomaschine 1 voneinander beabstandet und in Umfangsrichtung des Turbinengehäuses 2 verlaufend angeordnet, wodurch sich ein geschlossener Kraftfluss rings um den äußeren Umfang des Turbinengehäuses 2 ergibt.
Wie die 3a) bis 3c) zeigen, sind weiterhin beiderseits der Turbomaschine 1 das Turbinengehäuse 2 in axialer Richtung einschließende Seitenwände 16, 17 vorgesehen, siehe 3b), die an ihrem Umfang mit den Seiten der bandförmigen Struktur verbunden sind, siehe 3c). Die Seitenwände 16, 17 sind durch Haltestreben 19 voneinander beabstandet gegeneinander fixiert.
Wie die vergrößerten perspektivischen Darstellungen von 4 und 5 erkennen lassen, ist die bandförmige Struktur 5 innen und außen jeweils mit einer Halteplatte 12, 15 versehen, die einen Träger für das die bandförmige Struktur 5 bildende textile Fasermaterial ergibt und die über die Haltestreben 19 mit den Seitenwänden 16, 17 verbunden sind.
Bei dem in 4 gezeigten Ausführungsbeispiel ist zwischen dem inneren Halteblech 15 und dem äußeren Halteblech 12 eine Abstandshülse 13 vorgesehen, durch welche ein Niet 14 verläuft, mit dessen Hilfe die Haltebleche 12, 15 und damit die dazwischen befindliche bandförmige Struktur 5 an der Haltestrebe 19 befestigt sind. Über diese Haltestrebe 19 ist somit die bandförmige Struktur 5 mit den Seitenwänden verbunden, von denen hier die Seitenwand 16 dargestellt ist.
Bei dem in 5 gezeigten Ausführungsbeispiel ist lediglich die innere Halteplatte 15 mit der Haltestrebe 19 durch einen Niet 14 verbunden, die äußere Halteplatte 12 ist mit der inneren Halteplatte 15 durch einen weiteren Niet 14 ver bunden, so dass auch hier eine Verbindung der inneren und äußeren Halteplatten 12, 15 mit der Haltestrebe 19 und damit mit den Seitenwänden, von denen hier die Seitenwand 16 gezeigt ist, hergestellt ist.
Weiterhin ist nach innen, dem Turbinengehäuse 2 zugewandt, bei beiden Ausführungsbeispielen ein Hitzeschutzblech 18 vorgesehen, welches eine Wärmestrahlung nach außen und damit zu der bandförmigen Struktur 5 hin abschirmt.
Bei beiden Ausführungsbeispielen sind die Seitenwände 16, 17 durch Schrauben 20 mit den Haltestreben 19 verbunden.
Die Seitenwände 16, 17 können aus einem Metallblech hoher Durchschlagsfestigkeit hergestellt sein.
Die Halteplatten 12, 15 können ebenfalls aus Metallblech hergestellt sein, wobei hier eine hohe Durchschlagsfestigkeit jedoch nicht erforderlich ist, da diese durch das textile Fasermaterial der bandförmigen Struktur 5 geleistet wird.

1: Turbomaschine
2: Turbinengehäuse
3: Turbinenrad
4: Gasdurchgang
5: bandförmige Struktur
6: Befestigungsauge
7: Befestigungsauge
8: Bolzen
9: Bolzen
10: Zuganker
11: Zuganker
12: Halteblech außen
13: Abstandshülse
14: Niet
15: Halteblech innen
16: Seitenwand
17: Seitenwand
18: Hitzeschutzblech
19: Haltestrebe
20: Schraube

Claims

Berstschutz für eine Turbomaschine, insbesondere für eine Radialturbomaschine, die ein Turbinengehäuse (2) und ein in dem Turbinengehäuse (2) sich drehendes Turbinenrad (3) umfasst, mit einer den Umfang des Turbinengehäuses (2) umgebenden bandförmigen Struktur aus einem Material hoher Durchschlagsfestigkeit, dadurch gekennzeichnet, dass die bandförmige Struktur (5) aus einem endlos geschlossenen Band aus einem textilen Fasermaterial hoher Durchschlagsfestigkeit besteht, das unter Bildung von Befestigungsaugen (6, 7) an zwei entgegengesetzten Enden flach zusammengelegt ist und zumindest einen Teil des Umfangs des Turbinengehäuses (2) in Form einer offenen Schleife umgibt, welche mittels einer durch die Befestigungsaugen (6, 7) verlaufenden Verbindungsstruktur (8, 9, 10, 11) zu einem den Umfang des Turbinengehäuses (2) umgebenden Ring geschlossen ist.
Berstschutz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Befestigungsstruktur (8, 9, 10, 11) sich durch die Befestigungsaugen (6, 7) der bandförmigen Struktur (5) erstreckende Bolzen (8, 9) und die Bolzen (8, 9) miteinander verbindende Zuganker (10, 11) umfasst.
Berstschutz nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbomaschine eine Radialturbomaschine (1) ist, welche einen sich vom Umfang des Turbinengehäuses (2) erstreckenden Gasdurchgang (4) zum Zuführen eines die Turbomaschine durchströmenden Gases aufweist, wobei die die Bolzen (8, 9) verbindenden Zuganker (10, 11) beiderseits des Gasdurchgangs (4) in Umfangsrichtung des Turbinengehäuses (2) verlaufen.
Berstschutz nach Anspruch 1, 2, oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbomaschine eine Radialturbomaschine (1) ist, deren Turbinengehäuse (2) eine spiralförmige äußere Umfangsfläche aufweist, wobei die aus dem textilen Fasermaterial bestehende bandförmige Struktur (5) der spiralförmigen äußeren Umfangsfläche des Turbinengehäuses (2) folgend ebenfalls spiralförmig angeordnet ist.
Berstschutz nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass beiderseits der Turbomaschine an ihrem Umfang mit den Seiten der bandförmigen Struktur (5) verbundene, das Turbinengehäuse (2) in axialer Richtung einschließende Seitenwände (16, 17) vorgesehen sind.
Berstschutz nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Seitenwände (16, 17) durch Haltestreben (19) gegeneinander fixiert sind.
Berstschutz nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die bandförmige Struktur (5) innen und/oder außen mit einer Halteplatte (12, 15) versehen ist, welche einen Träger für die bandförmige Struktur (5) bildet und mit den Seitenwänden (16, 17) verbunden ist.
Berstschutz nach Anspruch 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Halteplatte (12, 15) mit den Haltestreben (19) verbunden ist.
Berstschutz nach Anspruch 6, 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Seitenwände (16, 17) durch Schrauben (20) mit den Haltestreben (19) verbunden sind.
Berstschutz nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Halteplatte (12, 15) durch Niete (14) mit den Haltestreben (19) verbunden ist.
Berstschutz nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das textile Fasermaterial, aus dem die bandförmige Struktur (5) besteht, aus Glasfaser, Aramidfaser, Polyethylenfaser (PE, Dyneema), PBO-Faser (Zylon) oder Kohlefaser oder aus einer Kombination davon hergestellt ist.
Berstschutz nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Seitenwände (16, 17) aus einem Metallblech hoher Durchschlagsfestigkeit hergestellt sind.
Berstschutz nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Halteplatte (12, 15) aus einem Metallblech hergestellt ist.