EP1724443A1 - Düsenring - Google Patents
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Definitions
- the invention relates to the field of exhaust gas turbochargers for internal combustion engines.
- the invention relates to a nozzle ring according to the preamble of patent claim 1, which directs the working fluid to the blades of the turbine of the exhaust gas turbocharger.
- exhaust gas turbochargers to increase the performance of internal combustion engines
- the exhaust gas turbine of the turbocharger is charged with the exhaust gases of the internal combustion engine and their kinetic energy used for sucking and compressing air for the internal combustion engine.
- a nozzle ring is arranged coaxially to the shaft of the turbine, which directs the exhaust gases to the blades of the turbine.
- sooner or later contamination of the rotor blades and of the nozzle ring will occur in the exhaust gas turbine, the latter being considerably more affected.
- heavy oil operation forms a hard dirt layer on the nozzle ring.
- An apparatus and a method for wet cleaning of the nozzle ring of an exhaust gas turbocharger turbine is in EP 0 781 897 B1 described.
- a special design of the gas inlet housing allows the injection of water in the area immediately before the nozzle ring.
- the relatively cold water is carried along after injection into the exhaust gas stream of the internal combustion engine from this to the nozzle ring. There it encounters the dirt deposits of the nozzle ring, which are suddenly very strongly cooled by the evaporation of the water on the surface. The water penetrates into the dirt layer and the deposits are partially dissolved. Applying this thermal shock treatment several times will result in a clean nozzle ring.
- Object of the present invention is therefore to provide a nozzle ring of the type mentioned, which withstands the large thermal loads without negatively affecting the efficiency of the exhaust gas turbocharger.
- the openings which are necessary for the elastic movability of the guide vanes of the nozzle ring, are closed by covers in the parts carrying the guide vanes. As a result, it can be prevented that exhaust gas flows through the housing during operation and thus energy is lost unused.
- Fig. 1 shows schematically a part of an exhaust gas turbine.
- a blade carrier 12 On a blade carrier 12, a plurality of turbine blades 11 are arranged.
- the exhaust gas guided by an internal combustion engine to the turbine is guided through a flow channel via the guide vanes 23 of a nozzle ring on the blades.
- the flow channel is limited by turbine housing parts 42 and, in the region of the nozzle ring, by an inner ring 21 and an outer ring 22 of the nozzle ring.
- the vanes 23 are distributed along the circumference and arranged between the inner ring and outer ring and connected thereto. They can be made in one piece with inner ring and outer ring or be composed.
- the outer ring is shorter in the axial direction than the guide vanes 23.
- the guide vanes project beyond the outer ring. This allows for elastic deformation the vane due to thermal stress, such as may occur during a cold water wash.
- the particularly thin trained in the outflow region, heated by the hot exhaust gas flow guide blade is cooled in shock like a shock and contracts it. Thanks to the free, unpaved outer end of the guide vane survives this load without permanent deformation.
- a cover 3 is arranged radially outside the free end of the guide blade.
- the cover can be firmly connected to the outer ring, as long as the deformability of the guide vane in the outflow region is not impaired by the connection.
- the cover may be mounted on the vanes during installation with a slight interference fit without compromising the aforementioned ductility.
- the axial length of the cover is advantageously in the range between about one third of the blade length to a blade length. This ensures a sufficiently large freedom of movement of the guide vane.
- the inner ring can be designed correspondingly shortened and arranged the cover in the region of the inner ring radially against the inside.
- a slot 24 is embedded in the outer ring 22 between two guide vanes 23 of the nozzle ring. At high thermal load of the guide vanes, these can deform independently of each other and elastically from the outer ring thanks to these slots.
- the slots are closed according to the invention with a cover ring 3.
- the cover ring is pushed radially outwards onto the outer ring and thus does not impair the freedom of movement of the guide vane and the part of the outer ring connected to the vane.
- the Andeckring can be made of glass fiber or carbon fiber mats.
- the cover ring may be formed as an open ring (snap ring). As a result, it can be firmly fixed to the outer ring of the nozzle ring and, in addition, permits a certain expansion of the outer ring radially outwards.
- the cover ring itself may also have slots, which, however, do not come to rest over the slots in the outer ring, so as not to interfere with the sealing of the flow channel against the turbine housing.
- compensating bends may be provided in the cover ring, which allow a controlled stretching of the cover ring without material overloading.
- the slots can also be closed individually with a plastic plate or a metal sheet or stuffed with a ceramic or metallic filling compound. It is important again that the freedom of movement of the vane is not affected. However, this is ensured as long as the sheet or the filling compound are designed to be more elastic than the thermally stressed parts of the nozzle ring.
- the inner ring formed correspondingly slotted and the cover ring may be arranged in the region of the inner ring radially aligned against the inside.
- FIGS. 3 and 4 A third embodiment, slightly modified from the second embodiment, is shown in FIGS. 3 and 4.
- Fig. 3 shows a section through a slot in the outer ring 22.
- the slot is not guided through the entire radial thickness D 1 of the outer ring, but only as a recess to a residual thickness D 2nd In this way, a thin outer ring 3 remains between the individual, separated by the slots 24 segments of the outer ring.
- the thinned wall can, as shown in FIG. 4, compress or stretch better under thermal stress than the wall of the outer ring in full strength.
- the residual thickness D 2 is advantageously in the region of the guide vane thickness in the outflow region or below. This ensures that in extreme cases, not the guide blade breaks, but the wall of the outer ring, which lies radially outside the flow.
- a fourth embodiment provides that a recess is provided in the outer ring of the nozzle ring, which is guided along the contour of the guide vane.
- the recess can in turn be designed as a slit to a residual thickness, or be formed over a large area in the entire area in and around the contour of the guide blade as a sink with a reduced wall thickness.
- third and fourth embodiments may be formed instead of the outer ring of the inner ring with the corresponding slot cover against radially inward.
- Such a design as a snap ring has no great influence on the strength of the nozzle ring, but helps to reduce certain voltages.
Landscapes
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- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)
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Abstract
Die zur elastischen Bewegbarkeit der Leitschaufeln (23) des Düsenrings notwendigen Öffnungen (24) in den die Leitschaufeln tragenden Teilen (22) werden mit Abdeckungen (3) verschlossen.
Dadurch kann verhindert werden, dass im Betrieb Abgas über das Gehäuse abströmt und so Energie ungenutzt verloren geht.
Description
- Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Abgasturbolader für Brennkraftmaschinen. Die Erfindung betrifft einen Düsenring gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, welcher das Arbeitsmedium auf die Laufschaufeln der Turbine des Abgasturboladers leitet.
- Die Verwendung von Abgasturboladern zur Leistungssteigerung von Brennkraftmaschinen ist heute weit verbreitet. Dabei wird die Abgasturbine des Turboladers mit den Abgasen der Brennkraftmaschine beaufschlagt und deren kinetische Energie zum Ansaugen und Verdichten von Luft für die Brennkraftmaschine verwendet. Im Einströmkanal der Abgasturbine ist dabei koaxial zur Welle der Turbine ein Düsenring angeordnet, welcher die Abgase auf die Schaufeln der Turbine leitet. In Abhängigkeit von der konkreten Betriebssituation und der Zusammensetzung der zum Antrieb der Brennkraftmaschine verwendeten Brennstoffe kommt es in der Abgasturbine früher oder später zu einer Verschmutzung der Laufschaufeln und des Düsenrings, wobei letzterer wesentlich stärker betroffen ist. Im Schwerölbetrieb bildet sich auf dem Düsenring eine harte Schmutzschicht aus. Solche Schmutzablagerungen im Bereich des Düsenrings führen zu einem schlechteren Turbinenwirkungsgrad und demzufolge zur Verringerung der Leistung der Brennkraftmaschine. Ausserdem kommt es im Brennraum zu einer Erhöhung der Abgastemperaturen sowie der Drücke, wodurch die Brennkraftmaschine und insbesondere deren Ventile geschädigt oder gar zerstört werden können. Deshalb müssen die Düsenringe regelmässig von den ihnen anhaftenden Verschmutzungen befreit werden.
- Eine Reinigung der Düsenringe in demontiertem Zustand erfordert das Abschalten des Turboladers über einen längeren Zeitraum und ist daher nicht erwünscht. Demzufolge haben sich Reinigungsverfahren durchgesetzt, bei denen der Turbolader in Betrieb bleiben kann und nicht demontiert werden muss. Als geeignete Verfahren zur Beseitigung von Düsenring-Verschmutzungen sind die Nassreinigung mit Wasser und die Trockenreinigung mit einem Granulat bekannt. Die Einspeisung des jeweilige Reinigungsmediums erfolgt stromauf der Abgasturbine, im Bereich der diese mit der Brennkraftmaschine verbindenden Abgasleitung.
- Eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Nassreinigung des Düsenrings einer Abgasturbolader-Turbine ist in
EP 0 781 897 B1 beschrieben. Eine spezielle Ausbildung des Gaseintrittgehäuses ermöglicht das Einspritzen von Wasser in den Bereich unmittelbar vor dem Düsenring. Das relativ kalte Wasser wird nach dem Einspritzen in den Abgasstrom der Brennkraftmaschine von diesem zum Düsenring mitgeführt. Dort trifft es auf die Schmutzablagerungen des Düsenrings, welche durch die Verdampfung des Wassers auf der Oberfläche plötzlich sehr stark abgekühlt werden. Das Wasser dringt in die Schmutzschicht ein und die Ablagerungen werden teils aufgelöst. Durch mehrmaliges Anwenden dieser Thermoschockbehandlung wird ein sauberer Düsenring erreicht. - Das Nassreinigen mit dem relativ kalten Wasser führt zu erheblichen thermischen Belastungen der Turbinenkomponenten. Insbesondere können thermische Spannungen an den Schaufeln den Düsenring beschädigen. Um dies zu verhindern, ist eine Absenkung der Abgastemperatur nötig, wodurch die Brennkraftmaschine nur mit reduzierter Last betrieben werden kann.
- Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, den die Leitschaufeln des Düsenrings tragende Aussenring zwischen den Leitschaufeln mit Schlitzen zu versehen. Damit werden den einzelnen Leitschaufeln grössere Bewegungsfreiheiten zugestanden, so dass es zu keinen grossen thermischen Spannungen oder gar zu Schaufelbrüchen kommt. Allerdings führen diese Schlitze zu einer unerwünschten Bypass-Strömung, d.h. es wird heisses Abgas über das Turbinengehäuse abgeführt, was zu einem Wirkungsgradverlust des Abgasturboladers und der angeschlossenen Brennkraftmaschine führt.
- Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es somit, einen Düsenring der eingangs genannten Art zu schaffen, welcher den grossen thermischen Belastungen standhält ohne dabei den Wirkungsgrad des Abgasturboladers negativ zu beinträchtigen.
- Erfindungsgemäss werden die zur elastischen Bewegbarkeit der Leitschaufeln des Düsenrings notwendigen Öffnungen in den die Leitschaufeln tragenden Teilen mit Abdeckungen verschlossen. Dadurch kann verhindert werden, dass im Betrieb Abgas über das Gehäuse abströmt und so Energie ungenutzt verloren geht.
- Weitere Vorteile ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
- Zum besseren Verständnis und zur lllustration der erzielten Vorteile wird anschliessend die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Hierbei zeigen:
- Fig. 1
- eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemässen Düsenrings mit einem verkürzten Aussenring und einer Abdeckung,
- Fig. 2
- eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemässen Düsenrings mit einem Abdeckring,
- Fig. 3
- eine Detailansicht einer dritten Ausführungsform des erfindungsgemässen Düsenrings im Normalzustand, und
- Fig. 4
- eine Detailansicht der Ausführungsform des erfindungsgemässen Düsenrings nach Fig. 3 unter thermischer Spannung.
- Fig. 1 zeigt schematisch einen Teil einer Abgasturbine. Auf einem Schaufelträger 12 sind eine Vielzahl von Turbinenlaufschaufeln 11 angeordnet. Das von einer Brennkraftmaschine auf die Turbine geführte Abgas wird durch einen Strömungskanal über die Leitschaufeln 23 eines Düsenrings auf die Laufschaufeln geführt. Der Strömungskanal wird begrenzt von Turbinengehäuseteilen 42 sowie, im Bereich des Düsenrings, durch einen Innenring 21 und einen Aussenring 22 des Düsenrings. Die Leitschaufeln 23 sind entlang dem Umfang verteilt und zwischen Innenring und Aussenring angeordnet und mit diesen verbunden. Sie können einteilig mit Innenring und Aussenring gefertigt oder aber zusammengesetzt sein.
- In der ersten Ausführungsform des erfindungsgemässen Düsenrings gemäss Fig. 1 ist der Aussenring in axialer Richtung kürzer als die Leitschaufeln 23. Im Abströmbereich 25 überragen die Leitschaufeln den Aussenring. Dies ermöglicht eine elastische Verformung der Leitschaufel aufgrund von thermischer Belastung, wie sie etwa bei einem Waschvorgang mit kaltem Wasser auftreten kann. Die im Abströmbereich besonders dünn ausgebildete, von der heissen Abgasströmung aufgeheizte Leitschaufel wird beim Waschen schockartig abgekühlt und zieht sich dabei zusammen. Dank dem freien, unbefestigten äusseren Ende übersteht die Leitschaufel diese Belastung ohne bleibende Verformung. Um im Betrieb die Abgasströmung nicht über die durch den verkürzt ausgeführten Aussenring entstehende Öffnung abströmen zu lassen, wird im Bereich radial ausserhalb des freien Endes der Leitschaufel eine Abdeckung 3 angeordnet. Diese wird beispielsweise zwischen der Turbinenabdeckung 41 und dem Aussenring des Düsenrings eingeklemmt. Alternativ kann die Abdeckung fest mit dem Aussenring verbunden sein, solange durch die Verbindung die Verformbarkeit der Leitschaufel im Abströmbereich nicht beeinträchtigt wird. Die Abdeckung kann bei der Montage mit einem leichten Presssitz auf den Leitschaufeln aufgesetzt werden, ohne dass die obenerwähnte Verformbarkeit dadurch beeinträchtigt würde.
- Die axiale Länge der Abdeckung liegt vorteilhafterweise im Bereich zwischen etwa einem Drittel der Schaufellänge bis zu einer Schaufellänge. Damit ist eine genügend grosse Bewegungsfreiheit der Leitschaufel gewährleistet.
- Anstelle einer Abdeckung auf der radial äusseren Seite des Düsenrings, kann auch der Innenring entsprechend verkürzt ausgebildet und die Abdeckung im Bereich des Innenrings radial gegen innen ausgerichtet angeordnet sein.
- In der zweiten Ausführungsform des erfindungsgemässen Düsenrings gemäss Fig. 2 ist jeweils zwischen zwei Leitschaufeln 23 des Düsenrings ein Schlitz 24 in den Aussenring 22 eingelassen. Bei grosser thermischer Belastung der Leitschaufeln können sich diese dank diesen Schlitzen unabhängig voneinander und vom Aussenring elastisch verformen. Um die Bypass-Strömung über diese Schlitze im Betrieb verhindern zu können, werden die Schlitze erfindungsgemäss mit einem Abdeckring 3 verschlossen. Der Abdeckring wird radial aussen auf den Aussenring aufgeschoben und beeinträchtig dadurch die Bewegungsfreiheit der Leitschaufel und des mit der Leitschaufel verbundenen Teils des Aussenrings nicht. Der Andeckring kann aus Glasfaser- oder Karbonfasermatten gefertigt sein. Um eine gewisse Dehnbarkeit des Abdeckrings zu gewährleisten, kann der Abdeckring als offener Ring (Sprengring) ausgebildet sein. Dadurch lässt er sich mit einem festen Sitz auf den Aussenring des Düsenrings festsitzend aufspannen und lässt zudem eine gewisse Dehnung des Aussenring nach radial aussen zu. Um diese Dehnbarkeit zu gewährleisten, kann der Abdeckring selber auch Schlitze aufweisen, welche allerdings nicht über den Schlitzen im Aussenring zu liegen kommen, um die Abdichtung des Strömungskanals gegen das Turbinengehäuse nicht zu beeinträchtigen. Alternativ zu solchen Schlitzen können im Abdeckring Ausgleichsbogen vorgesehen sein, welche eine kontrollierte Dehnung des Abdeckrings ohne Materialüberbelastung ermöglichen.
- Anstelle eines Abdeckrings können die Schlitze auch einzeln mit einer Kunststoffplatte oder einem Metallblech verschlossen oder mit einer keramischen oder metallischen Füllmasse gestopft werden. Wichtig ist dabei wiederum, dass die Bewegungsfreiheit der Leitschaufel nicht beeinträchtig wird. Dies ist jedoch gewährleistet, solange das Blech oder die Füllmasse elastischer ausgebildet sind als die thermisch belasteten Teile des Düsenrings.
- Auch bei der zweiten Ausführungsform kann anstelle eines Abdeckrings auf der radial äusseren Seite des Düsenrings, der Innenring entsprechend geschlitzt ausgebildet und der Abdeckring im Bereich des Innenrings radial gegen innen ausgerichtet angeordnet sein.
- Eine gegenüber der zweiten Ausführungsform leicht abgeänderte dritte Ausführungsform ist in den Figuren 3 und 4 abgebildet. Fig. 3 zeigt einen Schnitt durch einen Schlitz in dem Aussenring 22. Der Schlitz ist dabei nicht durch die ganze radiale Dicke D1 des Aussenrings geführt, sondern nur als Ausnehmung bis auf eine Restdicke D2. Auf diese Weise bleibt zwischen den einzelnen, durch die Schlitze 24 getrennten Segmente des Aussenrings ein dünner äusserer Ring 3 bestehen. Durch die Ausnehmung bis auf eine Restdicke wird die Elastizität des Aussenrings erhöht. Die ausgedünnte Wand lässt sich, wie in Fig. 4 dargestellt, unter thermischer Belastung besser stauchen oder dehnen als die Wand des Aussenrings in voller Stärke. Die Restdicke D2 liegt dabei vorteilhafterweise im Bereich der Leitschaufeldicke im Abströmbereich oder darunter. So ist gewährleistet, dass im Extremfall nicht die Leitschaufel bricht, sondern die radial ausserhalb der Strömung liegende Wand des Aussenrings.
- Eine vierte Ausführungsform sieht vor, dass im Aussenring des Düsenrings eine Ausnehmung vorgesehen ist, welche entlang der Kontur der Leitschaufel geführt ist. Die Ausnehmung kann wiederum bis auf eine Restdicke als Schlitz ausgeführt, oder grossflächig im gesamten Bereich in und um die Kontur der Leitschaufel als Senke mit einer reduzierten Wanddicke ausgebildet sein.
- Auch bei der dritten und vierten Ausführungsform kann anstelle des Aussenring der Innenring mit der entsprechenden Schlitzabdeckung gegen radial innen ausgebildet sein.
- Der jeweils nicht mit einer der oben beschriebenen Abdeckungen versehene Ring, also etwa der Innenring, wenn der Aussenring mit einer Abdeckung versehen ist, kann ebenfalls einen einzigen Schlitz aufweisen. Eine solche Ausführung als Sprengring hat keinen grossen Einfluss auf die Festigkeit des Düsenrings, hilft aber gewisse Spannungen abzubauen.
-
- 11
- Laufschaufeln der Turbine
- 12
- Schaufelträger
- 21
- Innenring
- 22
- Aussenring
- 23
- Leitschaufel
- 24
- Schlitze
- 25
- Abströmbereich der Leitschaufel
- 3
- Abdeckmittel, Abdeckring
- 41
- Turbinenabdeckung
- 42
- Strömungskanal begrenzende Gehäuseteile
Claims (10)
- Düsenring mit einem Innenring (21) und einem Aussenring (22) sowie einer Vielzahl von Strömungsleitschaufeln (23), wobei die Strömungsleitschaufeln zwischen dem Innenring und dem Aussenring angeordnet und an dem Innenring und dem Aussenring befestigt sind, und der Aussenring derart ausgebildet ist und die Strömungsleitschaufeln derart am Aussenring befestigt sind, dass sich die Leitschaufeln zumindest in einem Abströmbereich (25) der Strömungsleitschaufeln in radialer Richtung elastisch verformen können, dadurch gekennzeichnet, dass der Düsenring Abdeckmittel (3) zum Abdecken von radial nach Aussen geführten Öffnungen (24) umfasst.
- Düsenring nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Abströmbereich der Strömungsleitschaufeln den Aussenring überragt, und dass im Bereich radial ausserhalb des den Aussenring überragenden Abströmbereichs-(25) der Strömungsleitschaufeln ein Abdeckring (3) angeordnet ist.
- Düsenring nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Aussenring zwischen den Laufschaufeln Schlitze (24) aufweist, und dass die Schlitze radial nach Aussen mit Abdeckmitteln (3) abgedeckt sind.
- Düsenring nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schlitze mit einem zumindest abschnittsweise umlaufenden, radial ausserhalb der Schlitze im Aussenring angeordneten Abdeckring (3) abgedeckt sind.
- Düsenring nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass in den Schlitzen eine Dichtungsmasse angeordnet ist.
- Düsenring nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schlitze mit aufgeschweissten Blechen abgedeckt sind.
- Düsenring nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schlitze in radialer Richtung bis auf eine den Schlitz in radiale Richtung abdeckende Restdicke (D2) in den Aussenring hineinreichen.
- Düsenring nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest im Abströmbereich in den Aussenring ein Schlitz eingelassen ist, dass der Schlitz entlang der Leitschaufelkontur geführt ist, und dass der Schlitz bis auf eine den Schlitz in radiale Richtung abdeckende Restdicke in den Aussenring hineinreicht.
- Düsenring nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Restdicke in radialer Richtung der Dicke der Strömungsleitschaufel im Abströmbereich entspricht.
- Abgasturbolader, umfassend ein durch Abgase einer mit dem Turbolader verbundenen Brennkraftmaschine antreibbares Turbinenrad mit einer Vielzahl von Laufschaufeln, sowie einen die Abgase auf die Laufschaufeln des Turbinenrades leitenden Düsenring gemäss einem der Ansprüche 1 bis 9.
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
EP05405356A EP1724443A1 (de) | 2005-05-20 | 2005-05-20 | Düsenring |
PCT/CH2006/000248 WO2006122438A1 (de) | 2005-05-20 | 2006-05-08 | Düsenring |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
EP05405356A EP1724443A1 (de) | 2005-05-20 | 2005-05-20 | Düsenring |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
EP1724443A1 true EP1724443A1 (de) | 2006-11-22 |
Family
ID=35063260
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
EP05405356A Withdrawn EP1724443A1 (de) | 2005-05-20 | 2005-05-20 | Düsenring |
Country Status (2)
Country | Link |
---|---|
EP (1) | EP1724443A1 (de) |
WO (1) | WO2006122438A1 (de) |
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