DE19703033A1

DE19703033A1 - Abgasturbine eines Turboladers

Info

Publication number: DE19703033A1
Application number: DE19703033A
Authority: DE
Inventors: Marcel Meier; Martin Seiler; Claus Dieter Weisheit; Marcel Zehnder
Original assignee: Asea Brown Boveri AG Switzerland; Asea Brown Boveri AB
Current assignee: Accelleron Industries AG
Priority date: 1997-01-29
Filing date: 1997-01-29
Publication date: 1998-07-30
Also published as: CZ292035B6; CZ26398A3; JPH10220235A; KR19980070758A; CN1192513A; US5964574A; JP3004616B2; EP0856639A3; EP0856639A2

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft die Abgasturbine eines Turboladers, mit einem im Einström kanal der Abgasturbine angeordneten, das Arbeitsmedium auf die Turbinenschau feln leitenden Düsenring.

Stand der Technik

Die Düsenringe der Abgasturbinen von Turboladern werden durch wechselnde Betriebsbedingungen, d. h. Erhöhung oder Absenkung von Druck und Temperatur des Arbeitsmediums, hoch beansprucht. In Abhängigkeit von der verwendeten Turbine und entsprechend den konkreten Einsatzbedingungen kann das Arbeits medium einen großen Temperaturgradienten aufweisen. Weil ein Düsenring ge genüber den ihn umgebenden Turbinenbauteilen stets flureinegeringe Masse besitzt, ist er relativ starken Temperaturdehnungen unterworfen.

Häufig erfolgt die Befestigung des Düsenrings durch einfaches Verklemmen im Gehäuse der Abgasturbine. Da sich der Düsenring in diesem Fall nicht entspre chend ausdehnen kann, kommt es zu Materialverwerfungen und Rissen, so daß ein solcher Düsenring keine ausreichende Lebensdauer besitzt. Er muß dem nach in relativ kurzen Zeitintervallen ausgetauscht werden, was neben zusätzli chen Kosten auch einen Arbeitsausfall der Turbine zur Folge hat.

Aus diesem Grund muß zwischen dem Düsenring und den ihn umgebenden Bau teilen ein ausreichend großer Dehnungsspalt ausgebildet werden. Bei einer sol chen Lösung trifft jedoch der Nachteil einer nicht unerheblichen Bypass-Strömung des Arbeitsmediums durch den Dehnungsspalt hindurch auf. Dadurch kann es zu einer deutlichen Verringerung des Wirkungsgrades der Turbine kommen.

Um diese Nachteile zu beseitigen wurde entsprechend der EP 00 24 275 A1 ein Düsenring entwickelt, welcher sich sowohl in axialer als auch in radialer Richtung frei ausdehnen kann und trotzdem einen verschließbaren Dehnungsspalt auf weist. Dazu erfolgt die Arretierung dieses Düsenrings hauptsächlich mittels eines elastischen Elements, welches den Düsenring aufgrund einer Vorspannung stän dig gegen dessen Sitz im Turbinengehäuse drückt. Dabei erfolgt gleichzeitig eine Abdichtung des Dehnungsspalts.

Es hat sich jedoch gezeigt, daß die Vorspannung des elastischen Elements auf grund der hohen Temperaturen des Arbeitsmediums und des Düsenrings nachläßt. Die abnehmende Vorspannung des elastischen Elements führt schließlich dazu, daß der Düsenring nicht mehr an seinem Sitz anliegt und der Dehnungs spalt wiederum eine Bypass-Strömung durchläßt. Demnach kann auch bei dieser Lösung die Abdichtung des Dehnungsspaltes gegenüber einer Bypass-Strömung nicht dauerhaft gewährleistet und damit eine zunehmende Verringerung des Wir kungsgrades nicht verhindert werden.

Darstellung der Erfindung

Die Erfindung versucht, alle diese Nachteile zu vermeiden. Ihr liegt die Aufgabe zugrunde, einen Düsenring für die Abgasturbine eines Turboladers zu schaffen, welcher neben einer verbesserter Lebensdauer auch einen konstanten Wirkungs grad garantiert.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß bei einer Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, zwischen dem Turbinengehäuse und dem Dü senring ein Dehnungsspalt ausgebildet und im Bereich des Dehnungsspaltes zu mindest eine Dichtung angeordnet ist. Dabei besteht der Düsenring aus zwei in der Ausnehmung angeordneten Befestigungselementen, welche über eine Anzahl von Leitschaufeln miteinander verbunden sind. Entweder in zumindest einem der Befestigungselemente oder in zumindest einem der die Befestigungselemente umgebenden Bauteile des Turbinengehäuses ist eine die Dichtung aufnehmende, umlaufende Nut ausgebildet.

Beim Betrieb des Turboladers erlaubt der zwischen dem Düsenring und dem Tur binengehäuse ausgebildete Dehnungsspalt eine freie Ausdehnung des Düsen rings sowohl in axiale als auch in radiale Richtung. Gleichzeitig wird die Dichtung aufgrund des Abgasdruckes der mit dem Turbolader verbundenen Brennkraft maschine gegen die Nut gedrückt, wodurch eine weitgehende Abdichtung des Dehnungsspaltes erreicht wird. Auf diese Weise wird einerseits ein ausreichendes Spiel für die Wärmedehnung des Düsenrings und andererseits eine geeignete Abdichtung der Bypass-Strömung gewährleistet.

Es ist besonders zweckmäßig, wenn die umlaufende Nut in Strömungsrichtung der Abgase ausgerichtet ist. Dadurch kann eine besonders große Dichtfläche realisiert werden, was eine verbesserte Abdichtung und damit einen höheren Tur binenwirkungsgrad zur Folge hat.

Entsprechend den konkreten Platzverhältnissen im Bereich des Düsenrings kann die Dichtung jeweils zwischen dem Düsenring und entweder dem Gaseintritt gehäuse, dem turbinenseitigen Gehäusebauteil oder dem Gasaustrittgehäuse an geordnet werden.

Die Dichtung ist als Lamellenring ausgebildet. Besonders vorteilhaft ist ein aus ei nem ausreichend hitzebeständigen Werkstoff, wie beispielsweise Chromnickel stahl bestehender Doppel-Lamellenring. Eine solche Dichtung umschließt einen Winkel von 720°. Sie kann daher nicht nur hohen Temperaturen von bis zu 750°C unbeschadet widerstehen sondern sorgt auch für eine verbesserte Abdichtung des Dehnungsspaltes. Damit kann der Turbinenwirkungsgrad nochmals gesteigert und auch die Standzeit des Düsenrings erhöht werden.

Alternativ dazu ist die Dichtung als ebenfalls aus einem ausreichend hitzebestän digen Werkstoff bestehender Kolbenring ausgebildet. Damit ist eine weitere Mög lichkeit zur Abdichtung des Dehnungsspaltes gegeben, welche entsprechend den konkreten Einsatzbedingungen zur Verfügung steht.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer mit ei nem Düsenring versehenen Radialturbine eines Turboladers dargestellt.

Es zeigen:

Fig. 1 einen Teillängsschnitt der Radialturbine;

Fig. 2 einen vergrößerten Ausschnitt von Fig. 1, im Bereich des Düsenrings;

Fig. 3 einen Längsschnitt durch die erfindungsgemäße Dichtung, entspre chend Fig. 1, jedoch vergrößert dargestellt;

Fig. 4 eine Darstellung entsprechend Fig. 2, jedoch in einem zweiten Ausfüh rungsbeispiel;

Fig. 5 eine Darstellung entsprechend Fig. 2, jedoch in einem dritten Ausfüh rungsbeispiel.

Es sind nur die für das Verständnis der Erfindung wesentlichen Elemente gezeigt. Nicht dargestellt sind von der Anlage beispielsweise die Verdichterseite des Ab gasturboladers und die mit der Radialturbine verbundene Brennkraftmaschine. Die Strömungsrichtung des Arbeitsmittels ist mit Pfeilen bezeichnet.

Weg zur Ausführung der Erfindung

Der Abgasturbolader besteht hauptsächlich aus einem nicht dargestellten Ver dichter und einer als Radialturbine ausgebildeten Abgasturbine 1. Die Radialturbi ne 1 besitzt ein Turbinengehäuse 2, mit einem spiralförmigen Gaseintrittgehäuse 3, einem als Gasaustrittflansch ausgebildeten Gasaustrittgehäuse 4 und einem als Zwischenwand ausgebildeten, turbinenseitigen Gehäusebauteil 5. Im Turbi nengehäuse 2 ist ein von einer Welle 6 getragenes Turbinenrad 7 mit Laufschau feln 8 drehbar gelagert. Verdichterseitig ist auf der Welle 6 ein ebenfalls nicht dargestelltes Verdichterrad angeordnet.

Das Gaseintrittgehäuse 3 geht stromab in einen Einströmkanal 9 für die Abgase 10 einer mit dem Abgasturbolader verbundenen, gleichfalls nicht dargestellten Brennkraftmaschine über. Im Einströmkanal 9 ist ein Düsenring 11 formschlüssig zwischen dem Gaseintrittgehäuse 3 und dem Gasaustrittflansch 4 sowie der Zwi schenwand 5 angeordnet. Die Welle 6 ist mittels Lagern 12 in einem Lagergehäu se 13 drehbar gelagert. Das Gaseintrittgehäuse 3 und das Lagergehäuse 13 sind überein in Umfangsrichtung angeordnetes Spannband 14 miteinander verbun den. Der Gasaustrittflansch 4 und das Gaseintrittgehäuse 3 sind durch Schrauben 15 lösbar aneinander befestigt (Fig. 1).

Der Düsenring 11 besteht aus zwei ringförmigen Befestigungselementen 16, 17, welche über eine Anzahl von Leitschaufeln 18 miteinander verbunden sind. Zur Aufnahme des Düsenrings 11 weist das Turbinengehäuse 2 im Bereich des Über gangs vom Gaseintrittgehäuse 3 zum Gasaustrittflansch 4 bzw. zur Zwischen wand eine Ausnehmung 19 auf. In dieser Ausnehmung 19, d. h. zwischen dem Düsenring 11 und dem Turbinengehäuse 2, ist ein Dehnungsspalt 20 ausgebildet, welcher sowohl die axiale als auch die radiale Ausdehnung des Düsenrings 11 erlaubt. Gaseintrittseitig des Düsenrings 11 ist im Befestigungselement 17 eine umlaufende Nut 21 angeordnet und in Strömungsrichtung der Abgase 10 ausge richtet. Die Nut 21 nimmt eine als Doppel-Lamellenring ausgebildete, d. h. einen Winkel von 720° umschließende Dichtung 22 auf. Der Doppel-Lamellenring 22 besteht aus Chromnickelstahl, wobei natürlich auch andere hitzebeständige Werkstoffe Verwendung finden können. Sowohl in der Nut 21 als auch in der Aus nehmung 19 des Turbinengehäuses 2 ist jeweils eine Dichtfläche 23, 24 für den Doppel-Lamellenring 22 angeordnet (Fig. 2). In Abhängigkeit von den Dichtungs anforderung und den Platzverhältnissen können selbstverständlich auch ein einfa cher oder ein dreifacher Lamellenring verwendet werden.

In Fig. 3 ist ein Längsschnitt durch den in Fig. 1 angedeuteten und zudem nur teilweise dargestellten Doppel-Lamellenring 22 gezeigt. Aus Gründen der Über sichtlichkeit wurde dazu eine vergrößerte Darstellung gewählt.

Zur Montage des Doppel-Lamellenrings 22 wird dieser gemeinsam mit dem Dü senring 11 auf einen leicht kleineren Außendurchmesser 25 der Ausnehmung 19 geschoben. Dadurch entsteht eine Vorspannung des Doppel-Lamellenrings 22, wodurch dieser stets an der Dichtfläche 24 anliegt. Um das Aufziehen des Doppel-Lamellenrings 22 zu erleichtern ist die Ausnehmung 19 im Bereich des Gaseintrittgehäuses 3 mit einer Abschrägung 26 versehen.

Beim Betrieb der mit dem Abgasturbolader verbundenen, als Dieselmotor ausge bildeten Brennkraftmaschine gelangen deren Abgase 10 zunächst in das spiral förmige Gaseintrittgehäuse 3 der Radialturbine 1. Im Gaseintrittgehäuse 3 werden sie beschleunigt und über den Düsenring 11 mit einem optimalen Strömungs winkel zum Turbinenrad 7 geleitet. Dort werden die Abgase 10 schließlich ent spannt. Sie geben dabei eine Leistung ab, welche dem Antrieb der Welle 6 und damit des Verdichterrades dient.

Aufgrund der Ausbildung des Dehnungsspaltes 20 kann sich der Düsenring 11 sowohl in axiale als auch in radiale Richtung frei ausdehnen. Dabei drückt der über den Einströmkanal 9 und den Dehnungsspalt 20 einwirkende Abgasdruck den Doppel-Lamellenring 22 stets an die Dichtfläche 23 der Nut 21. Demzufolge wird eine weitgehende Abdichtung des Dehnungsspaltes 20 erreicht. Bei entspre chenden Prüfstandsversuchen konnten Wirkungsgradgewinne von bis zu drei Punkten gegenüber Varianten ohne Abdichtung des Dehnungsspaltes 20 festge stellt werden.

In einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die umlaufende Nut 21 im Gasaustrittflansch 4 ausgebildet (Fig. 4). Damit ist eine zweite Variante zur An ordnung der Dichtung 22 gegeben, welche bei entsprechenden konstruktiven Vor aussetzungen zur Anwendung kommt. Im Unterschied zum ersten Ausführungs beispiel ist außer der in der Nut 21 angeordneten Dichtfläche 23 eine zweite Dichtfläche 27 am Befestigungselement 17 des Düsenrings 11 ausgebildet. Die Funktion dieses Doppel-Lamellenrings 22 ist analog dem ersten Ausführungs beispiel. Natürlich kann die umlaufende Nut 21 auch im Befestigungselement 16 oder in der Zwischenwand 5, d. h. ebenfalls gaseintritt- bzw. gasaustriftseitig des Düsenrings 11, ausgebildet werden (nicht dargestellt).

Gemäß Fig. 5 ist in einem dritten Ausführungsbeispiel eine als Kolbenring aus gebildete Dichtung 28 gaseintrittseitig des Düsenrings 11, zwischen dessen Befe stigungselement 17 sowie dem Gaseintrittgehäuse 3, angeordnet. Der Kolbenring 28 wird von einer entsprechend angepaßten Nut 29 aufgenommen. Sowohl in der Nut 29 als auch in der Ausnehmung 19 des Turbinengehäuses 2 ist jeweils eine Dichtfläche 30, 31 für den Kolbenring 28 angeordnet. Um eine gute Abdich tung zu gewährleisten, kommt ein Kolbenring 28 mit verhaktem Stoß zum Einsatz (nicht dargestellt). Alle weiteren Bauteile der Radialturbine 1 sind analog dem er sten Ausführungsbeispiel ausgebildet. Die Funktion des Kolbenrings 28 entspricht der Funktion des Doppel-Lamellenrings 22.

Bezugszeichenliste

1

Abgasturbine, Radialturbine

2

Turbinengehäuse

3

Gaseintrittgehäuse

4

Gasaustrittgehäuse, Gasaustrittflansch

5

turbinenseitiger Gehäusebauteil, Zwischenwand

6

Welle

7

Turbinenrad

8

Laufschaufel

9

Einströmkanal

10

Abgas

11

Düsenring

12

Lager

13

Lagergehäuse

14

Spannband

15

Schraube

16

Befestigungselement

17

Befestigungselement

18

Leitschaufel

19

Ausnehmung

20

Dehnungsspalt

21

Nut

22

Dichtung, Doppel-Lamellenring

23

Dichtfläche, von

21

24

Dichtfläche, von

19

25

Außendurchmesser

26

Abschrägung

27

Dichtfläche, von

17

28

Dichtung, Kolbenring

29

Nut

30

Dichtfläche, von

29

31

Dichtfläche, von

19

Claims

1. Abgasturbine eines Turboladers, mit einem aus einem Gaseintrittgehäuse (3), einem Gasaustrittgehäuse (4) sowie zumindest einem turbinenseitigen Gehäusebauteil (5) bestehenden Turbinengehäuse (2), einem auf einer Welle (6) drehbar gelagerten Turbinenrad (7) mit Laufschaufeln (8), einem im Turbinengehäuse (2), stromauf des Turbinenrades (7) ausgebildeten Einströmkanal (9) für die Abgase (10) einer mit dem Turbolader verbunde nen Brennkraftmaschine sowie mit einen im Einströmkanal (9) angeordne ten, in einer Ausnehmung (19) des Turbinengehäuses (2) befestigten, die Abgase (10) auf die Laufschaufeln (8) leitenden Düsenring (11), dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Turbinengehäuse (2) und dem Dü senring (11) ein Dehnungsspalt (20) ausgebildet und im Bereich des Deh nungsspaltes (20) zumindest eine Dichtung (22, 28) angeordnet ist.

2. Abgasturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Düsen ring (11) aus zwei in der Ausnehmung (19) angeordneten Befestigungsele menten (16, 17) besteht, welche über eine Anzahl von Leitschaufeln (18) miteinander verbunden sind und entweder in zumindest einem der Befesti gungselemente (16, 17) oder in zumindest einem der die Befestigungsele mente (16, 17) umgebenden Bauteile (3, 4, 5) des Turbinengehäuses (2) eine die Dichtung (22, 28) aufnehmende, umlaufende Nut (21) ausgebildet ist.

3. Abgasturbine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die umlau fende Nut (21) in Strömungsrichtung der Abgase (10) ausgerichtet ist.

4. Abgasturbine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Dich tung (22, 28) zwischen dem Gaseintrittgehäuse (3) und dem Düsenring (11) angeordnet ist.

5. Abgasturbine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Dich tung (22, 28) zwischen dem turbinenseitigen Gehäusebauteil (5) und dem Düsenring (11) angeordnet ist.

6. Abgasturbine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Dich tung (22, 28) zwischen dem Gasaustrittgehäuse (4) und dem Düsenring (11) angeordnet ist.

7. Abgasturbine nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtung (22) als Lamellenring, insbesondere als Doppel- Lamellenring, ausgebildet ist.

8. Abgasturbine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Lamel lenring (22) aus einem ausreichend hitzebeständigen Werkstoff, insbeson dere aus Chromnickelstahl besteht.

9. Abgasturbine nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtung (28) als Kolbenring ausgebildet ist.

10. Abgasturbine nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben ring (28) aus einem ausreichend hitzebeständigen Werkstoff, insbesondere aus Chromnickelstahl besteht.