DE19640654A1

DE19640654A1 - Berstschutzvorrichtung für Radialturbinen von Turboladern

Info

Publication number: DE19640654A1
Application number: DE19640654A
Authority: DE
Inventors: Josef Baettig; Wolfgang Diebold; Reto Meier; Marcel Zehnder
Original assignee: Asea Brown Boveri AG Switzerland; Asea Brown Boveri AB
Current assignee: ABB Asea Brown Boveri Ltd; ABB AB
Priority date: 1996-10-02
Filing date: 1996-10-02
Publication date: 1998-04-09
Also published as: PL322377A1; EP0834646A1; CZ309997A3; KR19980032381A; JPH10110622A

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft eine Berstschutzvorrichtung für Ra dialturbinen von Turboladern, gemäß dem Oberbegriff des An spruchs 1.

Stand der Technik

Ein entscheidendes Kriterium zur Leistungssteigerung von mit Abgasturboladern verbunden Brennkraftmaschinen ist der vom Verdichter des Abgasturboladers aufgebrachte Ladedruck. Wird der Ladedruck erhöht, kann mehr Luft in die Zylinder gepreßt und so die Leistung der Brennkraftmaschine verbessert werden. Um hohe Ladedrücke zu erreichen, drehen die heute eingesetz ten Abgasturbolader mit sehr hohen Umfangsgeschwindigkeiten. Insbesondere bei größeren Abgasturboladern führt das dazu, daß die Bruchstücke einer geborstenen Laufschaufel nur durch aufwendige konstruktive Maßnahmen im Turbinengehäuse zurück gehalten werden können. Aufgrund der größeren Masse der mög lichen Bruchstücke wird dieses Problem bei den sogenannten Integralturbinen noch verstärkt, weil deren Turbinenscheiben und Laufschaufeln einstückig gefertigt sind.

Um das Durchschlagen von Bruchstücken durch die Außenwand des Turboladers und somit die Gefährdung von Personen oder eine Beschädigung benachbarter Maschinenteile zu verhindern, werden die heutigen Turbolader im Bereich radial außerhalb des Turbinenlaufrades mit relativ dicken Wänden im Turbinen gehäuse versehen. Diese Lösungen weisen jedoch eine Reihe von Nachteilen auf, wie z. B. das erhebliche Mehrgewicht des Ge häuses und die Gefahr von Lunkerbildungen aufgrund schlechte rer Gießbarkeit eines solchen Turbinengehäuses. Außerdem erwärmt sich ein derart verdicktes Gehäuse unterschiedlich, so daß in der Folge Thermorisse auftreten können. Alle diese Faktoren senken die Standfestigkeit der Turbine und damit die Verfügbarkeit der mit ihr verbundenen Brennkraftmaschine.

Aus der DE-A1-42 23 496 ist eine Vorrichtung zur Reduzierung der kinetischen Energie von berstenden Teilen für mit hoher Geschwindigkeit umlaufende Maschinen bekannt. Diese im Inne ren 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 Radialtur binen nicht geeignet, weil wegen deren radialen Gaseintritt keine Berstschutzeinrichtungen im radialen Bereich der Turbi ne eingesetzt werden können.

Auch externe Berstschutzringe sind bekannt, reichen aber bei der großen Masse der Turbine ebenfalls nicht aus, um ein Durchschlagen des Turbinengehäuses zu verhindern.

Darstellung der Erfindung

Die Erfindung versucht, alle diese Nachteile zu vermeiden. Ihr liegt die Aufgabe zugrunde, eine einfache und sichere Berstschutzvorrichtung für Radialturbinen von Turboladern zu schaffen und damit die Standfestigkeit der Turbine, respekti ve die Verfügbarkeit der mit ihr verbundenen Brennkraftma schine zu erhöhen.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß bei einer Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, zwei Berstschutzeinrichtungen axial im Bereich des Turbinenrades angebracht sind. Die erste Berstschutzeinrichtung ist intern, d. h. radial zwischen Gaseintritt- und Gasaustrittsgehäuse an geordnet und als umlaufender Berstschutzring ausgebildet, wo bei jedoch der Leitschaufelkanal ausgenommen ist. Demgegen über ist die zweite Berstschutzeinrichtung extern, d. h. außen am Gaseintrittgehäuse angeordnet. Sie ist als spiralför mige Blechhülle ausgebildet und erstreckt sich zumindest über die axiale Ausdehnung des Turbinenrades. Gasaustrittseitig deckt der Berstschutzring ebenfalls zumindest die axiale Aus dehnung des Turbinenrades ab. Dazu weisen das Gaseintritt- sowie das Gasaustrittsgehäuse in ihrem Verbindungsbereich je weils eine Ausnehmung auf. Beide Ausnehmungen bilden einen gemeinsamen Hohlraum, in dem der Berstschutzring lose ange ordnet ist. Die zweite Berstschutzeinrichtung ist kraft schlüssig mit dem Gaseintrittgehäuse verbunden.

Damit wird eine relativ einfache und sichere Berstschutzvor richtung für Radialturbinen von Turboladern geschaffen. Die lose Anordnung des Berstschutzrings erleichtert dessen Mon tage und führt so zu niedrigeren Montagekosten. Kommt es zum Bersten des Turbinenrades, nimmt der Berstschutzring einen Großteil der Berstenergie auf. Da der Berstschutzring mit Ausnahme des Leitschaufelkanals die gesamte Länge des Turbi nenrades abdeckt, können durch den relativ schmalen Leit schaufelkanal nur kleinere Turbinenbruchstücke in das Gasein trittsgehäuse geschleudert werden. Die großen Bruchstücke, welche eine große kinetische Energie aufweisen, werden vom Berstschutzring aufgehalten. Wenn kleinere Bruchstücke die Wand des Gaseintrittgehäuses durchschlagen, so werden diese von der externen Berstschutzeinrichtung aufgefangen. Somit kann durch die Kombination interner und externer Berstschutz einrichtungen auch bei sehr großen freiwerdenden Energien ein Herausschleudern von Turbinenteilen in die Umgebung ver hindert werden.

In einer zweiten Ausführungsform der Erfindung ist außer den beiden o.g. Berstschutzeinrichtungen eine dritte Berstschutz einrichtung angeordnet und als Stahldrahtseil-Paket ausgebil det. Das stahldrahtseil-Paket ist ebenfalls im Hohlraum von Gaseintrittgehäuse sowie Gaseintrittgehäuse und zwar gasaus trittsgehäuseseitig des Berstschutzrings angeordnet. Es be steht aus mehreren Stahldrahtseilen, welche parallel zur Um laufrichtung des Turbinenrades und in zumindest einer Reihe nebeneinander angeordnet sind. Bei Verwendung dieser zusätz lichen Berstschutzeinrichtung vergrößert sich die Wahr scheinlichkeit, daß havarierte Turbinenbestandteile im Ge häuse zurückgehalten werden und dadurch auch die Sicherheit des Turboladers erheblich.

Es ist besonders zweckmäßig, wenn in der Ausnehmung des Gas austrittsgehäuses zumindest zwei parallel zur Achse des Turbi nenrades angeordnete Rippen ausgebildet sind und das Stahl drahtseil-Paket formschlüssig mit den Rippen verbunden ist. Auf diese Weise wird eine besonders einfache Montage und Be festigung der zusätzlichen Berstschutzeinrichtung gewährlei stet.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand eines der Radialturbine eines Abgasturboladers darge stellt.

Es zeigen:

Fig. 1 einen Teillängsschnitt der Radialturbine;

Fig. 2 eine Darstellung entsprechend Fig. 1, jedoch in einer zweiten Ausführungsform;

Fig. 3 einen Querschnitt durch das Gasaustrittsgehäuse, ent lang der Linie III-III in Fig. 2.

Es sind nur die für das Verständnis der Erfindung wesentli chen Elemente gezeigt. Nicht dargestellt ist von der Anlage beispielsweise die Verdichterseite des Abgasturboladers u. Die Strömungsrichtung des Arbeitsmittels ist mit Pfeilen be zeichnet.

Weg zur Ausführung der Erfindung

Der Abgasturbolader besteht hauptsächlich aus einem nicht dargestellten Verdichter und einer als Radialturbine ausge bildeten Abgasturbine 1. Die Radialturbine 1 besitzt ein Tur binengehäuse 2, mit einem spiralförmigen Gaseintrittgehäuse 3 und einem als Gasaustrittsflansch ausgebildeten Gasaustrittsge häuse 4. Im Turbinengehäuse 2 ist ein von einer Welle 5 getra genes Turbinenrad 6 mit Laufschaufeln 7 drehbar gelagert. Verdichterseitig ist auf der Welle 5 ein ebenfalls nicht dar gestelltes Verdichterrad angeordnet.

Das Gaseintrittgehäuse 3 geht stromab in einen Leitschaufel kanal 8 über, in dem ein Düsenring 9 formschlüssig zwischen Gaseintrittgehäuse 3 und Gasaustrittsflansch 4 angeordnet ist. Die Welle 5 ist mittels Lagern 10 in einem Lagergehäuse 11 drehbar gelagert. Das Gaseintrittgehäuse 3 und das Lagerge häuse 11 sind über ein in Umfangsrichtung angeordnetes Spann band 12 miteinander verbunden (Fig. 1).

Das Gaseintrittgehäuse 3 und das Gasaustrittsgehäuse 4 sind durch Schrauben 13 lösbar miteinander verbunden. Beide Teile des Turbinengehäuses 2 weisen in ihrem Verbindungsbereich je weils eine Ausnehmung 14 auf. Die Ausnehmungen 14 bilden ei nen gemeinsamen Hohlraum 15, welcher eine erste, als umlau fender Berstschutzring ausgebildete Berstschutzeinrichtung 16, lose aufnimmt. Der Berstschutzring 16 ist somit radial zwischen dem Gaseintrittgehäuse 3 und dem Gasaustrittsflansch 4 angeordnet, wobei jedoch der Bereich des Leitschaufelkanals 8 ausgenommen wird. Gasaustrittseitig deckt der Berstschutz ring 16 das Turbinenrad 6 in seiner axialen Ausdehnung voll ständig ab. Natürlich kann er das Turbinenrad 6 auf dieser Seite auch überragen.

Außerhalb des Gaseintrittgehäuses 3 ist eine als spiralför mige Blechhülle ausgebildete, zweite Berstschutzeinrichtung 17 angeordnet und über mehrere Schrauben 18 lösbar mit dem Gaseintrittgehäuse 3 verbunden. Für beide Berstschutzeinrich tungen 16, 17 wird ein hochwertiges Material, wie z. B. Hastelloy verwendet. Dadurch kann die Schutzwirkung weiter verbessert werden.

Beim Betrieb einer nicht dargestellten, mit dem Abgasturbola der verbundenen sowie als Dieselmotor ausgebildeten Brenn kraftmaschine gelangen deren Abgase zunächst in das Gasein trittsgehäuse 3 der Abgasturbine 1. In dem spiralförmigen Gas eintrittgehäuse 3 werden sie beschleunigt und gelangen über den Düsenring 9 mit einem optimalen Strömungswinkel zum Tur binenrad 6. Dort werden die Abgase schließlich entspannt. Sie geben dabei eine Leistung ab, welche dem Antrieb der Welle 5 und damit des Verdichterrades dient.

Unter außergewöhnlichen Bedingungen ist ein Bersten des Tur binenrades 6 jedoch nicht zu verhindern. Weil beide Berst schutzeinrichtungen 16, 17 axial im Bereich des Turbinenrades 6 und radial außerhalb desselben angeordnet sind, kann der Berstschutzring 16 in dieser Situation einen Großteil der Berstenergie aufnehmen. Da er zudem mit Ausnahme des relativ schmalen Leitschaufelkanals 9 die gesamte Länge des Turbinen rades 6 abdeckt, können nur kleinere Turbinenbruchstücke in das Gaseintrittgehäuse 3 geschleudert werden. Große Bruch stücke, d. h. solche mit großer kinetischer Energie, werden vom Berstschutzring 16 aufgehalten. Wenn kleinere Bruchstücke die Wand des Gaseintrittgehäuses 3 durchschlagen, so werden diese von der zweiten, d. h. der externen Berstschutzeinrich tung 17 aufgefangen, welche das Turbinenrad 6 in seiner ge samten axialen Ausdehnung abdeckt. Somit kann durch die Kom bination interner und externer Berstschutzeinrichtungen 16, 17 auch bei sehr großen freiwerdenden Energien ein Heraus schleudern von Turbinenteilen in die Umgebung verhindert wer den.

In einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist außer der ersten und der zweiten Berstschutzeinrichtung 16, 17 eine dritte Berstschutzeinrichtung 19 gasaustrittsgehäuseseitig des Berstschutzrings 16 im Hohlraum 15 angeordnet. Diese dritte Berstschutzeinrichtung 19 ist als Stahldrahtseil-Paket ausge bildet, welches aus mehreren parallel zur Umlaufrichtung des Turbinenrades 6 und in einer Reihe nebeneinander angeordneten Stahldrahtseilen 20 besteht (Fig. 2). Der Gasaustrittsflansch 4 weist in seiner Ausnehmung 14 vier parallel zur Drehachse 21 des Turbinenrades 6 angeordnete Rippen 22 auf, mit denen das stahldrahtseil-Paket 19 formschlüssig verbunden ist (Fig. 3). Diese Rippen wirken versteifend, so daß ein zusätzlicher Berstschutz erreicht wird.

Der Einsatz einer dritten Berstschutzeinrichtung 19 verrin gert die Wahrscheinlichkeit des Austretens von Turbinenteilen aus dem Turbinengehäuse 2 weiter und erhöht somit die Sicher heit des Abgasturboladers. Durch die Ausbildung der Rippen 22 des Gasaustrittsflanschs 4 und deren formschlüssige Verbindung mit dem Stahldrahtseil-Paket 19, werden sowohl eine einfache Montage als auch sichere Befestigung des Stahldrahtseil-Pa kets 19 erreicht.

Natürlich können auch mehrere Reihen von Stahldrahtseilen 20 radial übereinander angeordnet werden, was die abschirmende Wirkung der dritten Berstschutzeinrichtung 19 noch verstärkt.

Bezugszeichenliste

1 Abgasturbine, Radialturbine
2 Turbinengehäuse
3 Gaseintrittgehäuse
4 Gasaustrittsgehäuse, Gasaustrittsflansch
5 Welle
6 Turbinenrad
7 Laufschaufel
8 Leitschaufelkanal
9 Düsenring
10 Lager
11 Lagergehäuse
12 Spannband
13 Schraube
14 Ausnehmung
15 Hohlraum
16 erste Berstschutzeinrichtung, Berstschutzring
17 zweite Berstschutzeinrichtung, Blechhülle
18 Schraube
19 dritte Berstschutzeinrichtung, Stahldrahtseil-Paket
20 Stahldrahtseil
21 Drehachse
22 Rippe

Claims

1. Berstschutzvorrichtung für die Radialturbine eines Tur boladers, vorzugsweise eines Abgasturboladers, mit einem hauptsächlich aus einem Gaseintrittgehäuse (3) und einem Gasaustrittsgehäuse (4) bestehenden Turbinengehäuse (2), einem auf einer Welle (5) drehbar gelagerten Turbinenrad (6) sowie einem zwischen Gaseintritt- (3) und Gasaus trittsgehäuse (4) ausgebildeten Leitschaufelkanal (8), dadurch gekennzeichnet, daß radial zwischen Gasein tritt- (3) und Gasaustrittsgehäuse (4), jedoch mit Aus nahme des Leitschaufelkanals (8), eine erste Berst schutzeinrichtung (16) angeordnet sowie am Gaseintritt gehäuse (3) eine zweite Berstschutzeinrichtung (17) aus gebildet und beide Berstschutzeinrichtungen (16, 17) axial im Bereich des Turbinenrades (6) angeordnet sind.

2. Berstschutzvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die erste Berstschutzeinrichtung (16) als umlaufender Berstschutzring und die zweite Berstschutz einrichtung (17) als spiralförmige Blechhülle ausgebil det ist.

3. Berstschutzvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekenn zeichnet, daß sich die zweite Berstschutzeinrichtung (17) zumindest über die axiale Ausdehnung des Turbinen rades (6) erstreckt und der Berstschutzring (16) gasaus trittseitig zumindest die axiale Ausdehnung des Turbi nenrades (6) abdeckt.

4. Berstschutzvorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Gaseintritt- (3) sowie das Gas austrittsgehäuse (4) in ihrem Verbindungsbereich jeweils eine Ausnehmung (14) aufweisen, beide Ausnehmungen (14) einen gemeinsamen Hohlraum (15) bilden und der Berst schutzring (16) in diesem Hohlraum (15) angeordnet ist.

5. Berstschutzvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekenn zeichnet, daß der Berstschutzring (16) lose im Hohlraum (15) angeordnet ist.

6. Berstschutzvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekenn zeichnet, daß die zweite Berstschutzeinrichtung (17) kraftschlüssig mit dem Gaseintrittgehäuse (3) verbunden ist.

7. Berstschutzvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekenn zeichnet, daß eine dritte Berstschutzeinrichtung (19) ausgebildet und ebenfalls im Hohlraum (15) angeordnet ist.

8. Berstschutzvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekenn zeichnet, daß die dritte Berstschutzeinrichtung (19) als Stahldrahtseil-Paket ausgebildet und gasaustrittsge häuseseitig des Berstschutzrings (16) angeordnet ist.

9. Berstschutzvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekenn zeichnet, daß das Stahldrahtseil-Paket (19) aus mehre ren Stahldrahtseilen (20) besteht, welche parallel zur Umlaufrichtung des Turbinenrades (6) und in zumindest einer Reihe nebeneinander angeordnet sind.

10. Berstschutzvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekenn zeichnet, daß in der Ausnehmung (14) des Gasaustrittsge häuses (4) zumindest zwei parallel zur Drehachse (21) des Turbinenrades (6) angeordnete Rippen (22) ausgebil det sind und das Stahldrahtseil-Paket (19) formschlüssig mit den Rippen (22) verbunden ist.