EP1992789A1 - Gasaustrittsgehäuse einer Abgasturbine mit einem Stützelement - Google Patents

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EP1992789A1
EP1992789A1 EP07108472A EP07108472A EP1992789A1 EP 1992789 A1 EP1992789 A1 EP 1992789A1 EP 07108472 A EP07108472 A EP 07108472A EP 07108472 A EP07108472 A EP 07108472A EP 1992789 A1 EP1992789 A1 EP 1992789A1
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turbine
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flange
exhaust gas
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EP07108472A
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Balz Flury
Bent Phillipsen
Daniel Oeschger
Peter Schellenberg
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Accelleron Industries AG
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ABB Turbo Systems AG
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    • F05D2260/00—Function
    • F05D2260/96—Preventing, counteracting or reducing vibration or noise

Definitions

  • the invention relates to the field of exhaust gas turbines, as used in exhaust gas turbochargers, to increase the performance of internal combustion engines (reciprocating engines), or in power turbines, for converting the energy contained in the exhaust gases of internal combustion engines into mechanical or electrical energy. It relates to the housing of such an exhaust gas turbine.
  • asymmetric dimensions of the housing may arise during operational heating due to the thermodynamically optimized, asymmetric shape of the flow channel guide.
  • thermodynamically optimized flow channel shapes In order to prevent damage to the rotating components, the clearance between the rotating components and the stationary housing parts must be increased due to the different sizes, whereby the efficiency gained by the thermodynamically optimized flow channel shapes is at least partially lost again.
  • the object of the invention is to make the gas outlet housing of an exhaust gas turbine resistant to asymmetrical expansion.
  • At least one support element which is arranged in the interior of the gas outlet housing.
  • a partition wall or a rib may be provided, which leads transversely through the flow channel.
  • the gas outlet housing is just as stable as if it had a symmetrical shape.
  • the support element may be provided as an axial connection between the bearing housing-side flange and the gas inlet-side flange. This leads to a further stiffening of the entire turbine housing.
  • the support element is designed as a partition wall, which has a greater radial extent with respect to a narrow rib, or if a plurality of ribs arranged radially one above the other are used, not only axial forces but also a very high moment can be absorbed. The thus achieved, stronger stabilization means that the tilting of the gas outlet flange can be avoided.
  • the asymmetrical housing deformations are so greatly reduced that the efficiency achieved by the thermodynamically optimized flow channel shapes can be fully utilized.
  • the support element causes the natural frequency of the exhaust gas turbine, or the exhaust gas turbocharger or the power turbine increases. This in turn contributes to a much less problematic operating behavior.
  • Fig. 5 shows a cut along the turbine axis turbine housing 10 of an exhaust gas turbocharger or a power turbine according to the prior art.
  • the flow direction of the hot, brought up by the engine exhaust gas is indicated by the thick, white arrows.
  • the gas therefore passes through the opening in the gas inlet flange 13 into the interior of the turbine housing, is guided in the flow channel via the blades of the turbine wheel, not shown, collected radially in the asymmetrically designed collecting chamber 14 outside the diffuser and then leaves the turbine housing via the opening in the gas outlet flange 11.
  • the turbine wheel, not shown, is arranged on a shaft, which is guided through the opening in the bearing housing flange 12 and rotatably mounted in the bearing housing.
  • the compressor in the exhaust gas turbocharger arranged at the power turbine, the connecting element to the utility machine.
  • the diffuser is not shown in the outflow area radially outside the turbine blades.
  • the diffuser is mounted on the back of the gas inlet flange 13 during assembly of the exhaust gas turbine.
  • the holes used for this purpose are shown in the figures.
  • the flow guide on the side of the bearing housing flange 12. This backdrop is either also part of the turbine housing, or else the Bearing housing or it is attached as a separate component during assembly between the bearing housing and the bearing housing flange 12 of the turbine housing.
  • Fig. 1 shows an isometric view of the partially cut turbine housing 10 with an inventive support by a partition wall 15, seen from the side of the bearing housing flange 12 ago.
  • the hot exhaust gas is fed from behind through the opening in the gas inlet flange 13 into the turbine housing.
  • the supporting partition wall 15 extends in the radially outer region of the turbine housing, the gas outlet region in the axial direction of the Lagergepuruseflansch 12 across the flow channel to the side of the gas inlet flange 13.
  • the in the region of the collecting chamber 14, which in the assembled state of the exhaust gas turbine, radially outside extends the turbine housing as described above asymmetrically to effect an increase in efficiency by improved thermodynamic conditions.
  • the supporting partition wall 15 has a stabilizing effect on the turbine housing when unequal expansion occurs due to the asymmetrical shape during heavy heating.
  • Fig. 2 and Fig. 3 show isometric views of the turbine housing 10, wherein the turbine housing is cut through each of the partition wall 15. It can be clearly seen in these illustrations that the partition wall 15 connects the bearing housing side with the gas inlet side, and thus acts as a stabilizer for the turbine housing in the gas outlet region.
  • Figure 4 shows an isometric view of an inventive supported turbine housing in a second embodiment.
  • the gas outlet region is supported by a rib 16.
  • the rib extends transversely through the flow channel and also connects the bearing housing side with the gas inlet side of the turbine housing.
  • two or more ribs may be radially superimposed to provide additional support.
  • a high torque can be absorbed thereby, whereby it can be prevented that the gas outlet flange can tip over.

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Abstract

Es wird ein Gasaustrittsgehäuse einer Abgasturbine vorgestellt, welches ein Stützelement aufweist. Das Stützelement ist als eine Trennwand (15) ausgebildet, welche quer durch den asymmetrischen Strömungskanal führt. Dies führt dazu, dass das Turbinengehäuse (10) genauso stabil ist, wie wenn es eine symmetrische Form aufweisen würde.

Description

    Technisches Gebiet
  • Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Abgasturbinen, wie sie in Abgasturboladern, zur Leistungssteigerung von Brennkraftmaschinen (Hubkolbenmotoren), oder in Nutzturbinen, zum Umwandeln der in den Abgasen von Brennkraftmaschinen enthaltenen Energie in mechanische oder elektrische Energie, eingesetzt werden. Sie betrifft das Gehäuse einer solchen Abgasturbine.
    • Stand der Technik
  • Bei modernen Brennkraftmaschinen wird es für Hersteller von Abgasturboladern immer schwieriger die für eine effiziente Nutzung der Brennkraftmaschine geforderten Wirkungsgrade des Abgasturboladers bereitzustellen. Eine Möglichkeit den Wirkungsgrad des Abgasturboladers zu verbessern, besteht darin, neue, thermodynamisch optimierte Strömungskanalformen auszulegen.
  • Im Gasaustrittsgehäuse einer Abgasturbine können bei betriebsbedingter Erwärmung aufgrund der thermodynamisch optimierten, asymmetrischen Form der Strömungskanalführung asymmetrische Ausdehnungen des Gehäuses entstehen.
  • Um Schäden an den rotierenden Bauteilen zu verhindern, muss aufgrund der unterschiedlich grossen Ausdehnungen das Spiel zwischen den rotierenden Bauteilen und den feststehenden Gehäuseteilen erhöht werden, wodurch der durch die thermodynamisch optimierte Strömungskanalformen gewonnene Wirkungsgrad zumindest teilweise wieder verloren geht.
    • Kurze Darstellung der Erfindung
  • Die Aufgabe der Erfindung liegt darin, das Gasaustrittsgehäuse einer Abgasturbine gegen unsymmetrische Ausdehnung resistent zu machen.
  • Erfindungsgemäss wird dies mit mindestens einem Stützelement erreicht, welches im Innern des Gasaustrittsgehäuses angeordnet ist.
  • Als Stützelement kann eine Trennwand oder eine Rippe vorgesehen sein, welche quer durch den Strömungskanal führt. Damit wird das Gasaustrittsgehäuse genauso stabil, wie wenn es eine symmetrische Form aufweisen würde.
  • Optional kann das Stützelement als axiale Verbindung zwischen dem lagergehäuseseitigen Flansch und dem gaseintrittsseitigen Flansch vorgesehen sein. Dies führt zu einer weiteren Versteifung des gesamten Turbinengehäuses.
  • Wird das Stützelement als eine Trennwand ausgebildet, welche gegenüber einer schmalen Rippe eine grössere radialer Ausdehnung aufweist, oder werden mehrere, radial übereinander angeordnete Rippen eingesetzt, können nicht nur axiale Kräfte sondern auch ein sehr hohes Moment aufgenommen werden. Die so erzielte, stärkere Stabilisierung führt dazu, dass das Abkippen des Gasaustrittsflansches vermieden werden kann.
  • Die asymmetrischen Gehäusedeformationen werden dank der erfindungsgemässen Abstützung des Turbinengehäuses so stark vermindert, dass der durch die thermodynamisch optimierten Strömungskanalformen gewonnene Wirkungsgrad vollumfänglich genutzt werden kann.
  • Zusätzlich führt das Stützelement dazu, dass sich die Eigenfrequenz der Abgasturbine, bzw. des Abgasturboladers oder der Nutzturbine erhöht. Dies wiederum trägt zu einem wesentlich unproblematischeren Betriebsverhalten bei.
    • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Nachfolgend sind anhand der Zeichnungen Ausführungsformen des erfindungsgemässen Turbinengehäuses beschrieben. Hierbei zeigt
    • Fig. 1
    eine isometrische Ansicht eines teilweise aufgeschnittenen Turbinengehäuses mit einer erfindungsgemässen Abstützung durch eine Trennwand, von der Seite des Lagergehäuseflansches her gesehen,
    Fig. 2
    eine isometrische Ansicht des axial geschnittenen Turbinengehäuses nach Fig. 1, wobei der Schnitt durch die Trennwand geführt ist, von der Seite des Lagergehäuseflansches her gesehen,
    Fig. 3
    eine isometrische Ansicht des axial geschnittenen Turbinengehäuses nach Fig. 1, wobei der Schnitt durch die Trennwand geführt ist, von der Seite des Gaseintrittflansches her gesehen, und
    Fig. 4
    eine isometrische Ansicht eines teilweise aufgeschnittenen Turbinengehäuses mit einer erfindungsgemässen Abstützung durch eine Rippe, von der Seite des Lagergehäuseflansches her gesehen, und
    Fig. 5
    eine isometrische Ansicht eines axial geschnittenen Turbinengehäuses nach dem Stand der Technik, mit eingesetztem Diffusor..
    Weg zur Ausführung der Erfindung
  • Fig. 5 zeigt ein entlang der Turbinenachse aufgeschnittenes Turbinengehäuse 10 eines Abgasturboladers bzw. einer Nutzturbine nach dem Stand der Technik. Die Strömungsrichtung des heissen, von der Brennkraftmaschine herangeführten Abgases ist mit den dicken, weissen Pfeilen angedeutet. Das Gas tritt demnach durch die Öffnung im Gaseintrittsflansch 13 in das Innere des Turbinengehäuses, wird im Strömungskanal über die nicht dargestellten Laufschaufeln des Turbinenrades geführt, im asymmetrisch ausgebildeten Sammelraum 14 radial ausserhalb des Diffusors aufgefangen und verlässt das Turbinengehäuse anschliessend über die Öffnung im Gasaustrittsflansch 11. Das nicht dargestellte Turbinenrad ist auf einer Welle angeordnet, welche durch die Öffnung im Lagergehäuseflansch 12 geführt und im Lagergehäuse drehbar gelagert ist. Am gegenüberliegenden Ende der Welle ist beim Abgasturbolader das Verdichterrad, bei der Nutzturbine das Verbindungselement zur Nutzmaschine angeordnet.
  • In den Figuren 1 bis 4, welche das erfindungsgemässe Turbinengehäuse in verschiedenen Schnitten und aus verschiedenen Richtungen sowie in zwei unterschiedlichen Ausführungsformen zeigen, ist der Diffusor im Abströmbereich radial ausserhalb der Turbinenschaufeln nicht dargestellt. Der Diffusor wird bei der Montage der Abgasturbine auf der Rückseite des Gaseintrittsflansches 13 befestigt. Die dafür verwendeten Bohrungen sind in den Figuren dargestellt. Ebenfalls nicht dargestellt ist die strömungsführende Kulisse auf der Seite des Lagergehäuseflansches 12. Diese Kulisse ist entweder ebenfalls Teil des Turbinengehäuses, oder aber des Lagergehäuses oder sie wird als separates Bauteil bei der Montage zwischen dem Lagergehäuse und dem Lagergehäuseflansch 12 des Turbinengehäuses befestigt.
  • Fig. 1 zeigt eine isometrische Ansicht des teilweise aufgeschnittenen Turbinengehäuses 10 mit einer erfindungsgemässen Abstützung durch eine Trennwand 15, von der Seite des Lagergehäuseflansches 12 her gesehen. Das heisse Abgas wird von hinten durch die Öffnung im Gaseintrittsflansch 13 ins Turbinengehäuse hineingeführt. Die stützende Trennwand 15 erstreckt sich im radial äusseren Bereich des Turbinengehäuses, dem Gasaustrittsbereich in axialer Richtung von dem Lagergehäuseflansch 12 quer durch den Strömungskanal hin zur Seite des Gaseintrittsflansches 13. Das im Bereich des Sammelraumes 14, welcher sich im montierten Zustand der Abgasturbine, radial ausserhalb des Diffusors erstreckt, ist das Turbinengehäuse wie eingangs ausgeführt asymmetrisch ausgebildet, um durch verbesserte thermodynamische Verhältnisse eine Wirkungsgradsteigerung zu bewirken. Die stützende Trennwand 15 wirkt stabilisierend für das Turbinengehäuse, wenn es bei starker Erwärmung aufgrund der asymmetrischen Form zu ungleichen Ausdehnungen kommt.
  • Fig. 2 und Fig. 3 zeigen isometrische Ansichten des Turbinengehäuses 10, wobei das Turbinengehäuse jeweils durch die Trennwand 15 aufgeschnitten ist. Es ist in diesen Darstellungen deutlich zu sehen, dass die Trennwand 15 die Lagergehäuseseite mit der Gaseintrittsseite verbindet, und so für das Turbinengehäuse im Gasaustrittsbereich stabilisierend wirkt.
  • Fig.4 zeigt eine isometrische Ansicht eines erfindungsgemäss gestützten Turbinengehäuses in einer zweiten Ausführungsform. Anstelle einer sich radial bis an die äussere Grenze des Gasaustrittsflansches erstreckenden Trennwand, ist der Gasaustrittsbereich mit einer Rippe 16 abgestützt. Die Rippe erstreckt sich quer durch den Strömungskanal und verbindet ebenfalls die Lagergehäuseseite mit der Gaseintrittsseite des Turbinengehäuses. Optional können zwei oder mehr Rippen radial übereinander angeordnet sein, um eine zusätzliche Abstützung zu erreichen. Insbesondere kann dadurch ein hohes Moment aufgenommen werden, wodurch verhindert werden kann, dass der Gasaustrittsflansch abkippen kann.
    • Bezugszeichenliste
    • 10
    Turbinengehäuse
    11
    Gasaustrittsflansch
    12
    Lagergehäuseflansch
    13
    Gaseintrittsflansch
    14
    Sammelraum
    15
    Stützelement (Trennwand)
    16
    Stützelement (Rippe)

Claims (7)

  1. Gasaustrittsgehäuse einer Abgasturbine, umfassend einen Strömungskanal, dadurch gekennzeichnet, dass im Strömungskanal mindestens ein Stützelement (15, 16) zur Stabilisierung des Gasaustrittsgehäuses angeordnet ist.
  2. Gasaustrittsgehäuse nach Anspruch 1, wobei das Gasaustrittsgehäuse in dem den Strömungskanal begrenzenden Bereich asymmetrisch ausgebildet ist.
  3. Gasaustrittsgehäuse nach Anspruch 1, wobei das Stützelement (15, 16) quer zum Strömungskanal angeordnet ist.
  4. Gasaustrittsgehäuse nach Anspruch 1, wobei das Stützelement als eine Trennwand (15) oder eine Rippe (16) durch den Strömungskanal ausgebildet ist.
  5. Turbinengehäuse, umfassend ein Gasaustrittsgehäuse nach einem der Ansprüche 1 bis 4.
  6. Turbinengehäuse nach Anspruch 5, wobei das Turbinengehäuse einen Gaseintrittsflansch (13) und einen Lagergehäuseflansch (12) umfasst und das Stützelement (15, 16) den Gaseintrittsflansch (13) in axialer Richtung mit dem Lagergehäuseflansch (12) verbindet.
  7. Abgasturbolader oder Nutzturbine, umfassend ein Turbinengehäuse nach einem der Ansprüche 5 oder 6.
EP07108472A 2007-05-18 2007-05-18 Gasaustrittsgehäuse einer Abgasturbine mit einem Stützelement Withdrawn EP1992789A1 (de)

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