EP1260677B1 - Axialturbine mit Berstschutz - Google Patents
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- EP1260677B1 EP1260677B1 EP02010986A EP02010986A EP1260677B1 EP 1260677 B1 EP1260677 B1 EP 1260677B1 EP 02010986 A EP02010986 A EP 02010986A EP 02010986 A EP02010986 A EP 02010986A EP 1260677 B1 EP1260677 B1 EP 1260677B1
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- housing
- axial
- exhaust gas
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
- F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
- F01D21/00—Shutting-down of machines or engines, e.g. in emergency; Regulating, controlling, or safety means not otherwise provided for
- F01D21/04—Shutting-down of machines or engines, e.g. in emergency; Regulating, controlling, or safety means not otherwise provided for responsive to undesired position of rotor relative to stator or to breaking-off of a part of the rotor, e.g. indicating such position
- F01D21/045—Shutting-down of machines or engines, e.g. in emergency; Regulating, controlling, or safety means not otherwise provided for responsive to undesired position of rotor relative to stator or to breaking-off of a part of the rotor, e.g. indicating such position special arrangements in stators or in rotors dealing with breaking-off of part of rotor
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
- F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
- F05D2220/00—Application
- F05D2220/40—Application in turbochargers
Definitions
- the invention relates to an axial turbine of an exhaust gas turbocharger having a turbine housing formed by a turbine inlet housing with a gas outlet side wall and a Turbinenabströmgephaseuse with a gas inlet side wall, in which a supported by a shaft turbine disk is arranged with blades, the turbine disk to the outside of a Abgasdiffusor to form a flow channel is limited and in which a burst protection is provided in the turbine housing in the axial region of the turbine disk.
- EP 0 806 547 A1 describes a generic axial-flow turbine in which the gas inlet-side wall of the turbine exhaust housing assumes the function of bursting protection for the turbine disk.
- the burst protection as a ring in the form of an integral, substantially radially extending component of the gas inlet side wall of Turbinenabströmgephaseuses formed and connected either directly or via an upstream axial extension piece with the Turbinenzuströmgephaseuse.
- burst protection in the form of a burst protection ring as an integral part of the turbine exhaust casing or cover ring for the turbine disk, which is bolted to the diffuser, for example by means of a clamping ring, was sufficient means to prevent broken blades from exiting the turbine casing.
- an axial turbine of the type mentioned with simple and inexpensive means so educate that the escape of fragments of a ruptured turbine disk or a ruptured impeller can be prevented from the turbine housing, even at extremely high peripheral speeds, without to provide an additional burst protection outside of the turbine housing.
- the outer wall of the exhaust diffuser is designed in the axial region of the turbine disk in the radial direction with an outer and an inner contour and between the outer and inner contour of an annular support wall is provided, wherein the outer contour is designed in the form of an annular extension piece that over the axial area of the turbine disk is configured such that a turbine ring cover ring is provided between the support wall and the inner contour of the exhaust gas diffuser, and turbine inlet and turbine exhaust casings are connected such that the gas inlet side wall of the turbine exhaust housing is radially above the center plane of the turbine disk stands, a three-stage bursting protection is achieved in the axial turbine, which meets all requirements.
- the fragments are first (1st stage) thrown against the cover ring on the support wall of the exhaust diffuser. If the fragments are so large that the cover ring and the supporting wall do not withstand the stresses, then part of the kinetic energy of the fragments is dissipated by their breakage.
- At least the cover ring is therefore made of a non-brittle material such as steel or a steel alloy, while the other parts of the axial turbine may continue to consist of castings in a known manner, so that this energy dissipation is optimized.
- the cover ring is preferably fixed to the support wall supporting means of flexible connecting elements on the exhaust diffuser.
- the fragments meet radially outward on the annular extension piece of the outer contour of the exhaust diffuser.
- This annular or cylindrical extension piece in that it is designed to be pulled over the axial region of the turbine disk, can absorb a substantial part of the kinetic energy of the fragments.
- the annular extension piece of the outer contour of the exhaust gas diffuser is preferably reinforced by means of radially arranged ribs.
- the residual energy of the fragments is absorbed by the gas inlet side wall of the turbine exhaust housing, which is located in the radial direction just above the center plane of the turbine disk, wherein a solid flange connection between Turbinenzuströmgeophuse, diffuser outer wall and Turbinenabströmgephaseuse is preferably rigid.
- the exhaust gas turbocharger of the type on which the drawing is based comprises an axial turbine 1, which has a turbine inlet housing 2 with a gas outlet side wall 3 and a turbine exhaust housing 4 with a turbine inlet housing 2 gas inlet side wall 5 has a composite turbine housing.
- a turbine inlet housing 2 with a gas outlet side wall 3
- a turbine exhaust housing 4 with a turbine inlet housing 2 gas inlet side wall 5 has a composite turbine housing.
- a composite turbine housing In the turbine housing a supported by a shaft 6 turbine disk 7 with blades 8 is arranged.
- the rotor blades 8 of the turbine disk 7 are bounded on the outside by an exhaust gas diffuser 9 and are received by it in a flow channel 14.
- the outer wall 10 of the exhaust gas diffuser 9 is designed in the axial region of the turbine disk 7 in the radial direction with an outer 11 and an inner contour 12.
- a cylindrical or annular support wall 13 is formed, wherein the outer contour 11 is designed in the form of an annular or cylindrical extension piece, which is designed to be pulled over the axial region of the turbine disk 7.
- the flow channel 14 is formed, which receives the exhaust gases of a motor not shown here and continues in a known manner to the blades 8 of the turbine disk 7.
- Upstream in the flow channel 14 is an outer 15 and an inner ring 16 comprehensive nozzle ring inserted, which is connected by means of connecting elements 17 and flanges 18 on outer 15 and inner ring 16 with the Turbinenzuströmgephaseuse 2.
- Axially between the nozzle ring 15, 16 and the exhaust diffuser 9 is a cover 19 for the blades 8 of the turbine disk 7 sealingly clamped the flow channel 14 on the inner contour 12 of the exhaust diffuser 9, such that the nozzle ring both between its outer ring 15 and cover 19 a gap 28 as well between its inner ring 16 and the turbine disk 7 forms a gap 20.
- Another gap 21 is left between the turbine disk 7 and the inner wall 22 of the exhaust gas diffuser 9 in a known manner.
- the cover ring 19 is fixed to the support wall 13 of the exhaust gas diffuser 9 by means of flexible connecting elements 27, for example. Expansion screws, fixed to the exhaust gas diffuser 9.
- Turbinenzuström- 2 and Turbinenabströmgenosuse 4 are connected to each other such that the gas inlet side wall 5 of the Turbinenabströmgenosuses 4 in the radial direction is exactly aligned above the center plane 23 of the turbine disk 7.
- the annular extension piece of the outer contour 11 of the exhaust gas diffuser 9 has at its end a circumferential, or several individual fastening flange / s 24, which is clamped in the connection of Turbinenzuström- 2 and Turbinenabströmgephaseuse 4 and screwed by means of rigid connecting elements 25 with these.
- annular extension piece of the outer contour 11 is reinforced by means of radially arranged ribs 26.
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Description
- Die Erfindung betrifft eine Axialturbine eines Abgasturboladers mit einem aus einem Turbinenzuströmgehäuse mit einer gasaustrittseitigen Wand und einem Turbinenabströmgehäuse mit einer gaseintrittseitigen Wand ausgebildeten Turbinengehäuse, in diesem eine von einer Welle getragene Turbinenscheibe mit Laufschaufeln angeordnet ist, die Turbinenscheibe nach außen von einem Abgasdiffusor unter Ausbildung eines Strömungskanals begrenzt ist und bei der im Turbinengehäuse im axialen Bereich der Turbinenscheibe ein Berstschutz vorgesehen ist.
- Um hohe Ladedrücke zu erreichen, drehen heutige Abgasturbolader mit sehr hohen Umfangsgeschwindigkeiten. Insbesondere bei großen Abgasturboladern führt dies dazu, dass die Bruchstücke einer eventuell geborstenen Turbinenscheibe, bzw. einer Laufschaufel nur durch aufwendige konstruktive Maßnahmen im Turbinengehäuse zurückgehalten werden können.
- In der Vergangenheit war bereits im Turbinengehäuse ein sich axial im Bereich der Turbinenscheibe erstreckender Schutz- oder Berstring vorgesehen.
- Der grundsätzliche Aufbau und die Wirkungsweise derartiger Axialturbinen für Abgasturbolader sind an sich bekannt und bedürfen daher im vorliegenden Zusammenhang keiner näheren Erläuterung mehr. So ist beispielsweise in der EP 0 806 547 A1 eine gattungsbildende Axialturbine beschrieben, bei der die gaseintrittseitige Wand des Turbinenabströmgehäuses die Funktion eines Berstschutzes für die Turbinenscheibe übernimmt. Dazu ist der Berstschutz als Ring in Form eines integralen, sich im wesentlichen radial erstreckenden Bestandteils der gaseintrittseitigen Wand des Turbinenabströmgehäuses ausgebildet und entweder direkt oder über ein stromauf angeordnetes axiales Verlängerungsstück mit dem Turbinenzuströmgehäuse verbunden.
- Im Verlauf der Entwicklung von axial durchströmten Turbinen für Abgasturbolader ging jedoch der Trend von langen schmalen Laufschaufeln hin zu kurzen breiten, sogenannten "wide hord"-Schaufeln mit reduzierter Schaufelzahl. Dadurch werden die einzelnen Laufschaufeln schwerer und die Turbinenscheiben, die diese Schaufeln auch bei hohen Umfangsgeschwindigkeiten sicher halten müssen, breiter. Diese Maßnahmen führen natürlich dazu, dass die rotierenden Massen größer werden. In Verbindung mit den heute üblichen hohen Umfangsgeschwindigkeiten entstehen dadurch erheblich gesteigerte Zentrifugalkräfte, denen durch eine bessere Ausführung von Schutzmassnahmen Rechnung getragen werden muss.
- In der Vergangenheit war ein voran beschriebener Berstschutz in Form eines Berstschutzringes als ein integraler Bestandteil des Turbinenabströmgehäuses oder ein Abdeckring für die Turbinenscheibe, der beispielsweise mittels eines Klemmringes am Diffusor angeschraubt ist, ein ausreichendes Mittel, um gebrochene Laufschaufeln am Ausdringen aus dem Turbinengehäuse zu hindern.
- Durch die gestiegenen Anforderungen reicht die voran beschriebene Maßnahme jedoch nicht mehr aus, um einen sicheren Berstschutz zu gewährleisten, der ein Durchschlagen der Außenwand des Turbinengehäuses zuverlässig verhindert und eine Gefährdung von Personen oder eine Beschädigung benachbarter Maschinenteile ausschliesst.
- Hiervon ausgehend ist es daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Axialturbine eingangs erwähnter Art mit einfachen und kostengünstigen Mitteln so weiterzubilden, dass das Austreten von Bruchstücken einer geborstenen Turbinenscheibe oder eines geborstenen Laufrades aus dem Turbinengehäuse auch bei extrem hohen Umfangsgeschwindigkeiten verhindert werden kann, ohne einen zusätzlichen Berstschutz außerhalb des Turbinengehäuses vorsehen zu müssen.
- Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
- Dadurch, dass die Außenwand des Abgasdiffusors im axialen Bereich der Turbinenscheibe in radialer Richtung mit einer Außen- und einer Innenkontur ausgeführt ist und zwischen der Außen- und Innenkontur eine ringförmige Stützwandung vorgesehen ist, wobei die Außenkontur in Form eines ringförmigen Verlängerungsstücks ausgeführt ist, das über den axialen Bereich der Turbinenscheibe gezogen ausgestaltet ist, dass ein zwischen Stützwandung und Innenkontur des Abgasdiffusors angeordneter Abdeckring für die Turbinenscheibe vorgesehen ist, und dass Turbinenzuström- und Turbinenabströmgehäuse derart miteinander verbunden sind, dass die gaseintrittseitige Wand des Turbinenabströmgehäuses in radialer Richtung über der Mittelebene der Turbinenscheibe steht, wird ein dreistufiger Berstschutz in der Axialturbine erreicht, der alle Anforderungen erfüllt.
- Im Falle eines Bruches der Turbinenscheibe oder einer Turbinenschaufel werden die Bruchstücke zuerst (1. Stufe) an den Abdeckring an der Stützwandung des Abgasdiffusors geschleudert. Sind die Bruchstücke so groß, dass Abdeckring und Stützwandung den Beanspruchungen nicht standhalten, so wird durch deren Bruch ein Teil der kinetischen Energie der Bruchstücke dissipiert.
- In bevorzugter Weise ist zumindest der Abdeckring deshalb aus einem nicht spröden Material wie Stahl oder einer Stahllegierung gefertigt, während die anderen Teile der Axialturbine weiterhin in bekannter Weise aus Gussteilen bestehen können, so dass diese Energiedissipation optimiert ist. Auch zum gleichen Zweck ist bevorzugt der Abdeckring sich an der Stützwandung abstützend mittels flexibler Verbindungselemente am Abgasdiffusor fixiert.
- In der zweiten Stufe treffen die Bruchstücke radial nach außen auf das ringförmige Verlängerungsstück der Außenkontur des Abgasdiffusors. Dieses ringförmige, bzw. zylinderförmige Verlängerungsstück kann dadurch, dass es über den axialen Bereich der Turbinenscheibe gezogen ausgestaltet ist, einen wesentlichen Teil der Bewegungsenergie der Bruchstücke aufnehmen. Dazu ist in bevorzugter Weise das ringförmige Verlängerungsstück der Außenkontur des Abgasdiffusors mittels radial angeordneter Rippen verstärkt.
- In der dritten Stufe wird die restliche Energie der Bruchstücke durch die in radialer Richtung genau über der Mittelebene der Turbinenscheibe stehenden gaseintrittseitigen Wand des Turbinenabströmgehäuses aufgenommen, wobei eine massive Flanschverbindung zwischen Turbinenzuströmgehäuse, Diffusoraußenwand und Turbinenabströmgehäuse bevorzugt starr ausgeführt ist.
- Die Erfindung soll nachfolgend aus einer Beispielsbeschreibung anhand der Zeichnung näher erläutert werden.
- Die nachstehend beschriebene Zeichnung zeigt einen Teillängsschnitt durch eine erfindungsgemäße Axialturbine eines Abgasturboladers. Es sind dabei nur die für das Verständnis der Erfindung wesentlichen Elemente dargestellt und bezeichnet. Nicht dargestellt ist beispielsweise die Verdichterseite des Abgasturboladers. Die Strömungsrichtung des Abgases ist mittels Pfeilen angedeutet.
- Der Abgasturbolader der in der Zeichnung zugrundeliegenden Art umfasst eine Axialturbine 1, die ein aus einem Turbinenzuströmgehäuse 2 mit einer gasaustrittseitigen Wand 3 und einem Turbinenabströmgehäuse 4 mit einer gaseintrittseitigen Wand 5 zusammengesetztes Turbinengehäuse besitzt. Im Turbinengehäuse ist eine von einer Welle 6 getragene Turbinenscheibe 7 mit Laufschaufeln 8 angeordnet.
- Die Laufschaufeln 8 der Turbinenscheibe 7 werden nach außen von einem Abgasdiffusor 9 begrenzt und von diesem in einem Strömungskanal 14 aufgenommen. Die Außenwand 10 des Abgasdiffusors 9 ist im axialen Bereich der Turbinenscheibe 7 in radialer Richtung mit einer Außen- 11 und einer Innenkontur 12 ausgeführt. Zwischen der Außen- 11 und Innenkontur 12 ist eine zylindrische, bzw. ringförmige Stützwandung 13 angeformt, wobei die Außenkontur 11 in Form eines ringförmigen, bzw. zylindrischen Verlängerungsstückes ausgeführt ist, das über den axialen Bereich der Turbinenscheibe 7 gezogen ausgestaltet ist.
- Zwischen der Turbinenscheibe 7 und dem Turbinengehäuse ist der Strömungskanal 14 ausgebildet, der die Abgase eines hier nicht dargestellten Motors aufnimmt und in bekannter Weise zu den Laufschaufeln 8 der Turbinenscheibe 7 weiterführt. Stromauf im Strömungskanal 14 ist ein einen Außen- 15 und einen Innenring 16 umfassender Düsenring eingelegt, der mittels Verbindungselementen 17 und Flanschen 18 an Außen- 15 und Innenring 16 mit dem Turbinenzuströmgehäuse 2 verbunden ist.
- Axial zwischen Düsenring 15, 16 und Abgasdiffusor 9 ist ein Abdeckring 19 für die Laufschaufeln 8 der Turbinenscheibe 7 den Strömungskanal 14 an der Innenkontur 12 des Abgasdiffusors 9 abdichtend eingespannt, derart dass der Düsenring sowohl zwischen seinem Außenring 15 und Abdeckring 19 einen Spalt 28 als auch zwischen seinem Innenring 16 und der Turbinenscheibe 7 einen Spalt 20 ausbildet. Ein weiterer Spalt 21 ist zwischen Turbinenscheibe 7 und der Innenwand 22 des Abgasdiffusors 9 in bekannter Weise belassen.
- Der Abdeckring 19 ist sich an der Stützwandung 13 des Abgasdiffusors 9 abstützend mittels flexibler Verbindungselemente 27, bspw. Dehnschrauben, am Abgasdiffusor 9 fixiert.
- Das Turbinenzuström- 2 und Turbinenabströmgehäuse 4 sind derart miteinander verbunden, dass die gaseintrittseitige Wand 5 des Turbinenabströmgehäuses 4 in radialer Richtung genau fluchtend über der Mittelebene 23 der Turbinenscheibe 7 steht.
- Das ringförmige Verlängerungsstück der Außenkontur 11 des Abgasdiffusors 9 weist endseitig einen umlaufenden, oder mehrere einzelne Befestigungsflansch/e 24 auf, der/die in die Verbindung von Turbinenzuström- 2 und Turbinenabströmgehäuse 4 eingeklemmt und mittels starrer Verbindungselemente 25 mit diesen verschraubt ist.
- Des weiteren ist das ringförmige Verlängerungsstück der Außenkontur 11 mittels radial angeordneter Rippen 26 verstärkt.
-
- 1
- Axialturbine
- 2
- Turbinenzuströmgehäuse
- 3
- Gasaustrittseitige Wand
- 4
- Turbinenabströmgehäuse
- 5
- Gaseintrittseitige Wand
- 6
- Welle
- 7
- Turbinenscheibe
- 8
- Laufschaufel
- 9
- Abgasdiffusor
- 10
- Außenwand
- 11
- Außenkontur
- 12
- Innenkontur
- 13
- Stützwandung
- 14
- Strömungskanal
- 15
- Außenring des Düsenrings
- 16
- Innenring des Düsenrings
- 17
- Verbindungselemente
- 18
- Flansche
- 19
- Abdeckring
- 20
- Spalt
- 21
- Spalt
- 22
- Innenwand des Abgasdiffusors
- 23
- Mittelebene
- 24
- Befestigungsflansch
- 25
- starres Verbindungselement
- 26
- Rippen
- 27
- flexibles Verbindungselement
- 28
- Spalt
Claims (6)
- Axialturbine (1) eines Abgasturboladers mit einem aus einem Turbinenzuströmgehäuse (2) mit einer gasaustrittseitigen Wand (3) und einem Turbinenabströmgehäuse (4) mit einer gaseintrittseitigen Wand (5) ausgebildeten Turbinengehäuse, in diesem eine von einer Welle (6) getragene Turbinenscheibe (7) mit Laufschaufeln (8) angeordnet ist, bei der die Turbinenscheibe (7) nach außen von einem Abgasdiffusor (9) unter Ausbildung eines Strömungskanals (14) begrenzt ist und bei der im Turbinengehäuse im axialen Bereich der Turbinenscheibe ein Berstschutz vorgesehen ist, wobei die Außenwand (10) des Abgasdiffusors (9) im axialen Bereich der Turbinenscheibe (7) in radialer Richtung mit einer Außen- (11) und einer Innenkontur (12) ausgeführt ist und Turbinenzuström- (2) und Turbinenabströmgehäuse (4) derart miteinander verbunden sind, dass die gaseintrittseitige Wand (5) des Turbinenabströmgehäuses (4) in radialer Richtung über der Mittelebene (23) der Turbinenscheibe (7) steht,
dadurch gekennzeichnet,- dass zwischen der Außen- (11) und Innenkontur (12) eine ringförmige Stützwandung (13) vorgesehen ist, wobei die Außenkontur (11) in Form eines ringförmigen Verlängerungsstücks ausgeführt ist, das über den axialen Bereich der Turbinenscheibe (7) gezogen ausgestaltet ist, und- dass ein zwischen Stützwandung (13) und Innenkontur (12) des Abgasdiffusors (9) angeordneter Abdeckring (19) für die Turbinenscheibe (7) und Laufschazfeln (8) vorgesehen ist. - Axialturbine nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Abdeckring (19) sich an der Stützwandung (13) abstützend mittels flexibler Verbindungselemente (27) am Abgasdiffusor (9) fixiert ist. - Axialturbine nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass das ringförmige Verlängerungsstück der Außenkontur (11) des Abgasdiffusors (9) mittels radial angeordneter Rippen (26) verstärkt ist. - Axialturbine nach Anspruch 1 oder 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass das ringförmige Verlängerungsstück (11) endseitig einen Befestigungsflansch (24) aufweist, der in die Verbindung von Turbinenzuström- (2) und Turbinenabströmgehäuse (4) einklemmbar ist. - Axialturbine nach Anspruch 1 oder 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Verbindung von Turbinenzuström- (2) und Turbinenabströmgehäuse (4) mittels starrer Verbindungselemente (25) herstellbar ist. - Axialturbine nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass zumindest der Abdeckring (19) des Abgasdiffusors (9) aus einem nicht spröden Material wie Stahl oder einer Stahllegierung gefertigt sind.
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