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DE10107807C1 - Strömungsmaschine mit radial durchströmtem Verdichterrad - Google Patents

Strömungsmaschine mit radial durchströmtem Verdichterrad

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DE10107807C1
DE10107807C1 DE10107807A DE10107807A DE10107807C1 DE 10107807 C1 DE10107807 C1 DE 10107807C1 DE 10107807 A DE10107807 A DE 10107807A DE 10107807 A DE10107807 A DE 10107807A DE 10107807 C1 DE10107807 C1 DE 10107807C1
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compressor
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compressor wheel
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Klaus Bartholomae
Wolfgang Schmidt
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Abstract

Um eine Strömungsmaschine mit radial durchströmtem Verdichterrad (3) und einem Verdichtergehäuse (8) mit einem schneckenförmigen Strömungskanal (9), das mittels einer starren Fixierung (18) am Lagergehäuse (1) der Strömungsmaschine festgelegt ist, mit einfachen und kostengünstigen Mitteln so weiterzubilden, dass das Austreten von Bruchstücken eines geborstenen Verdichterrades aus dem Verdichtergehäuse verhindert werden kann, ist vorgesehen, dass das Verdichtergehäuse (8) ein äußeres Spiralgehäuse (10), das den in die radiale Richtung (B) nach außen umgelenkten Kanalabschnitt (11) des Strömungskanals (9) umfasst, und ein inneres Gehäuseeinsatzstück (12), das in radialer Richtung (B) zwischen dem Spiralgehäuse (10) und dem Verdichterrad (3) vorgesehen ist und dessen Innenkontur (13) mit der Außenkontur (6) der Nabe (4) des Verdichterrades (3) den im wesentlichen in axialer Richtung (A) verlaufenden Kanalabschnitt (14) des Strömungskanals (9) ausbildet, aufweist, das das Spiralgehäuse (10) mit einem das Gehäuseeinsatzstück (12) zumindest teilweise umgebenden Innenzylinder (15) ausgeführt ist, an diesem das Gehäuseeinsatzstück (12) zur Ausbildung eines Hohlraumes (16) mittels einer in axialer Richtung (A) flexiblen Fixierung (17) angebaut ist, und die flexible Fixierung (17) des Gehäuseeinsatzes (12) weniger bruchsicher als die starre Fixierung (18) des Verdichtergehäuses (8) am Lagergehäuse (1) ausgeführt ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Strömungsmaschine mit radial durchströmtem Verdichterrad, das von einem spiralförmigen Verdichtergehäuse mit einem schneckenförmigen Strömungskanal umschlossen ist, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Der grundsätzliche Aufbau und die Wirkungsweise derartiger Strömungsmaschinen, wie z. B. ein Radialverdichter eines Turboladers, sind an sich bekannt und bedürfen daher im vorliegenden Zusammenhang keiner näheren Erläuterung mehr. So ist beispielsweise in der DE 37 38 929 A1 eine gattungsbildende Strömungsmaschine in Form eines Radialverdichters eines Turboladers beschrieben, innerhalb dessen spiralförmigem Verdichtergehäuse der Durchmesser der Nabe des Verdichterrades und der Schaufeln in Strömungsrichtung zunimmt und die Aussenkontur der Schaufeln bogenförmig ist und der Innenkontur der benachbarten, torusförmig nach aussen gekrümmten Kanalwand des schneckenförmigen Strömungskanals entspricht, wobei die Kanalwand des Verdichtergehäuses mit der Aussenkontur der Nabe des Verdichterrades einen nach aussen umgelenkten Kanalabschnitt begrenzen, in den die Schaufeln eingreifen. An diesen nach aussen radial umgelenkten Kanalabschnitt schliesst sich ein in einen Spiralkanal einmündender ringförmiger Kanalabschnitt an. Das Verdichtergehäuse besteht aus einem äusseren Spiralgehäuse und einem inneren Gehäuseeinsatzstück und es sind Fixierungen des Verdichtergehäuses an einem Lagergehäuse und des Gehäuseeinsatzstückes an einem Innenzylinder des Spiralgehäuses vorgesehen. Der Zweck einer derartigen Ausbildung ist, das Verdichterrad und das Gehäuseeinsatzstück austauschbar zu machen, um den Radialverdichter an verschiedene Förderraten anpassbar zu halten.
Nach langem Betrieb unter ungünstigen Bedingungen kann ein derartiges Verdichterrad durch Korrosion, Erosion und Alterung so stark geschwächt werden, dass das Bersten des Verdichterrades nicht ausgeschlossen werden kann. Im Falle eines Verdichterradbruches, bei dem das Rad meistens in zwei oder drei grosse Teilstücke zerbricht, werden diese Einzelteile durch die erheblichen Zentrifugalkräfte nach aussen geschleudert. Es können dann sogar Bruchstücke aus dem Verdichtergehäuse austreten. Dabei werden die Verdichterradschaufeln völlig zerstört und der verbleibende Nabenkörper verklemmt sich zwischen dem Lagergehäuse und dem Verdichtergehäuse. Durch die Formgebung der Nabenstücke entsteht dabei eine Keilwirkung, die erhebliche impulsartige Axialkräfte auf die Gehäuse ausüben.
Kleinere Turbolader können durch die relativ grossen Wandstärken und die steifen Gehäuseteile diese Kräfte aufnehmen. Bei grossen Turboladern werden die Gehäusewandstärken meist aus giesstechnischen Gründen verringert, wodurch bei derartiger Beanspruchung die Bruchgrenze des Materials schnell erreicht wird und es zu Gehäusebrüchen kommen kann. Dabei können Bruchstücke aus dem Turbolader austreten, mit erheblichen Folgeschäden.
Dies sollte unbedingt vermieden werden. Zu diesem Zwecke ist es heute üblich, ausserhalb des das Verdichterrad aufnehmenden Verdichtergehäuses einen zusätzlichen Berstschutz vorzusehen.
Hiervon ausgehend ist es daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Strömungsmaschine eingangs erwähnter Art mit einfachen und kostengünstigen Mitteln so weiterzubilden, dass das Austreten von Bruchstücken eines geborstenen Verdichterrades aus dem Verdichtergehäuse verhindert werden kann, ohne einen zusätzlichen Berstschutz ausserhalb des Spiralgehäuses vorsehen zu müssen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
Dadurch, dass das Verdichtergehäuse ein äusseres Spiralgehäuse, das den in die radiale Richtung nach aussen umgelenkten Kanalabschnitt des Strömungskanals umfasst, und ein inneres Gehäuseeinsatzstück, das in radialer Richtung zwischen dem Spiralgehäuse und dem Verdichterrad vorgesehen ist und dessen Innenkontur mit der Aussenkontur der Nabe des Verdichterrades den im wesentlichen in axialer Richtung verlaufenden Kanalabschnitt des Strömungskanals ausbildet, aufweist, das Spiralgehäuse mit einem das Gehäuseeinsatzstück zumindest teilweise umgebenden Innenzylinder ausgeführt ist, an dem das Gehäuseeinsatzstück zur Ausbildung eines Hohlraumes mittels einer in axialer Richtung flexiblen Fixierung angebaut ist, und die flexible Fixierung des Gehäuseeinsatzes weniger bruchsicher als die starre Fixierung des Verdichtergehäuses am Lagergehäuse ausgeführt ist, ist ein Spiralgehäuse mit einer "Knautschzone" ausgebildet worden, aus dem kein Bruchstück eines geborstenen Laufrades mehr austreten kann. Die kinetische Energie von Bruchstücken eines berstenden Verdichterrades kann nun innerhalb des Turboladers vollständig in Verformungsenergie und Wärme umgewandelt werden.
Dadurch, dass die starre Fixierung des Spiralgehäuses am Lagergehäuse, sowie das Gehäuseeinsatzstück selbst deutlich mehr kinetische Energie als die flexible Fixierung des Gehäuseeinsatzstückes am Spiralgehäuse aufnehmen kann, ist gewährleistet, dass das Gehäuseeinsatzstück sich im Notfall in axialer Richtung vom Verdichterrad wegbewegen kann. So kann die kinetische Energie der Verdichterradstücke durch Umwandlung in Verformungsenergie und daraus resultierender Wärme zum grossen Teil aufgenommen werden. Die verbleibende kinetische Energie der Bruchstücke kann von den Gehäusen aufgenommen werden.
Ein zusätzlicher Berstschutz ausserhalb des Spiralgehäuses kann entfallen.
Dadurch, dass das Spiralgehäuse mit einem das Gehäuseeinsatzstück zumindest teilweise umgebenden Innenzylinder ausgeführt ist, an dem das Gehäuseeinsatzstück zur Ausbildung eines Hohlraumes mittels einer in axialer Richtung flexiblen Fixierung angebaut ist, ist ein hoher Schutz vor Zerschlagung des Spiralgehäuses selbst sichergestellt und eine wirksame "Bremse" gegen ein Austreten von Bruchstücken aus dem Turbolader gegeben. In besonders vorteilhafter Weise ist die starre Fixierung des Verdichtergehäuses mittels einer festen Flanschverbindung des Spiralgehäuses am Lagergehäuse und die flexible Fixierung des Gehäuseeinsatzstückes mittels einer Dehnschraubenfixierung in axialer Richtung durch den Innenzylinder des Spiralgehäuses ausgeführt.
In besonders vorteilhafter Weise ist die zur starren Fixierung des Spiralgehäuses vorgesehene Wand des Lagergehäuses in radialer Richtung bis über die äussere Spitze der Aussenkontur des Verdichterrades unter Ausbildung eines Spaltes heruntergezogen angeordnet, so dass eine zusätzliche "Bremse", das heisst Sicherung gegen ein radiales Austreten von Bruchstücken des Verdichterrades vorgegeben ist.
Eine weitere besonders vorteilhafte Ausbildung ist darin zu sehen, dass das Verdichtergehäuse über das äussere Spiralgehäuse derart unter Ausbildung einer Trennfuge am Lagergehäuse angesetzt ist, dass das äussere, den umgelenkten Kanalabschnitt umfassende Spiralgehäuse an der starren Fixierung des Verdichtergehäuses am Lagergehäuse vorbei in radialer Richtung B nach innen gezogen ist, so dass die starre Fixierung in radialer Richtung B weiter aussen liegend als die Trennfuge zwischen Spiral- und Lagergehäuse angeordnet ist. Diese Massnahme der besonderen Anordnung der Trennfuge stellt sicher, dass die starre Fixierung des Verdichtergehäuses am Lagergehäuse von eventuell sich im Strömungskanal verkeilenden Bruchstücken kaum belastet wird, wodurch ein Wegbrechen des Verdichtergehäuses noch weiter ausgeschlossen wird.
Die Erfindung soll nachfolgend aus einer Beispielsbeschreibung anhand der Zeichnung näher erläutert werden.
Die nachstehend beschriebene Zeichnung zeigt einen Teillängsschnitt durch eine erfindungsgemässe Strömungsmaschine in Form eines Radialverdichters.
Der Abgasturbolader der in der Zeichnung zugrundeliegenden Art besitzt eine in ihrem mittleren Längsbereich in einem Lagergehäuse 1 gelagerte Welle 2, die an ihren über die Lagerung auskragenden Enden ein hier nicht dargestelltes Turbinenrad und ein in der Zeichnung schematisch dargestelltes radial durchströmtes Verdichterrad 3 trägt.
Das dargestellte Verdichterrad 3 besitzt eine auf der durch das Turbinenrad angetriebenen Welle 2 drehschlüssig aufgenommene Nabe 4, die umfangsseitig mit radial abstehenden Schaufeln 5 besetzt ist. Die Aussenkontur 6 der Nabe 4 begrenzt mit der Innenkontur 7 eines Verdichtergehäuses 8 einen von der axialen Richtung A in die radiale Richtung B umgelenkten, nach aussen sich verengenden Strömungskanal 9, dessen Querschnitt der Konfiguration der Schaufeln 5 entspricht. Das Verdichtergehäuse 8 ist mittels einer starren Fixierung 18 am Lagergehäuse 1 befestigt. Der Durchmesser der Nabe 4 und der Schaufeln 5 nimmt vom Strömungseingang zum Strömungsausgang zu, so dass sich ein zur Mittelquerebene des Verdichterrads 3 unsymmetrischer Längsquerschnitt und dementsprechend auch eine über der Länge des Verdichterrads 3 zunehmende Masseverteilung ergeben.
Das Verdichtergehäuse 8 ist aus einem äusseren, am Lagergehäuse mittels der starren Fixierung 18 festgemachten Spiralgehäuse 10, das den in die radiale Richtung B nach aussen umgelenkten Kanalabschnitt 11 des Strömungskanals 9 umfasst, und einem inneren Gehäuseeinsatzstück 12, das in radialer Richtung B zwischen dem Spiralgehäuse 10 und dem Verdichterrad 3 vorgesehen ist und dessen Innenkontur 13 mit der Aussenkontur 6 der Nabe 4 des Verdichterrades 3 den im wesentlichen in axialer Richtung A verlaufenden Kanalabschnitt 14 des Strömungskanals 9 ausbildet, aufgebaut.
Das Verdichtergehäuse 8 ist über das äussere Spiralgehäuse 10 derart unter Ausbildung einer Trennfuge 22 am Lagergehäuse 1 angesetzt, dass das äussere, den umgelenkten Kanalabschnitt 11 umfassende Spiralgehäuse 10 an der starren Fixierung 18 des Verdichtergehäuses 8 am Lagergehäuse 1 vorbei in radialer Richtung B nach innen gezogen ist, so dass die starre Fixierung 18 in radialer Richtung B weiter aussen liegend als die Trennfuge 22 zwischen Spiral- 10 und Lagergehäuse 1 angeordnet ist. Diese Massnahme der besonderen Anordnung der Trennfuge 22 stellt sicher, dass die starre Fixierung 18 des Verdichtergehäuses 8 am Lagergehäuse 1 von eventuell sich im Strömungskanal 9 verkeilenden Bruchstücken kaum belastet wird, wodurch ein Wegbrechen des Verdichtergehäuses 8 noch weiter ausgeschlossen wird.
In bevorzugter Weise ist beim Ausführungsbeispiel der Abstand zwischen der Trennfuge 22 und der Welle 2 kleiner als der Abstand des Flächenmittelpunktes 23 der grössten Querschnittsfläche 24 durch den umgelenkten Kanalabschnitt 11 im Spiralgehäuse 10 zur Welle 2.
Das Spiralgehäuse 10 ist mit einem das Gehäuseeinsatzstück 12 zumindest teilweise umgebenden Innenzylinder 15 ausgeführt an dem das Gehäuseeinsatzstück 12 zur Ausbildung eines Hohlraumes 16 mittels einer in axialer Richtung A flexiblen Fixierung 17 angebaut ist. Die flexible Fixierung 17 des Gehäuseeinsatzes 12 ist deutlich weniger bruchsicher als die starre Fixierung 18 des Spiralgehäuses 10 am Lagergehäuse 1 ausgeführt.
Die starre Fixierung 18 des Verdichtergehäuses 8 bzw. des Spiralgehäuses 10 ist mittels einer festen Flanschverbindung des Spiralgehäuses 10 am Lagergehäuse 1 und die flexible Fixierung 17 des Gehäuseeinsatzstückes 12 mittels einer Dehnschraubenfixierung in axialer Richtung A durch den Innenzylinder 15 des Spiralgehäuses 10 ausgeführt.
Die zur starren Fixierung 18 des Spiralgehäuses 8 vorgesehene Wand 19 des Lagergehäuses 1 ist in radialer Richtung B bis über die äussere Spitze 20 der Aussenkontur 6 der Nabe 4 des Verdichterrades 3 unter Ausbildung eines Spaltes 21 heruntergezogen angeordnet.
Das Spiralgehäuse 10 ist mit nach innen in Richtung des Verdichterrades 3 immer kleiner werdendem Durchmesser des Strömungskanals 9 ausgeführt.
Bezugszeichenliste
1
Lagergehäuse
2
Welle
3
Verdichterrad
4
Nabe
5
Schaufeln
6
Aussenkontur der Nabe
7
Innenkontur von
8
und
12
8
Verdichtergehäuse
9
Strömungskanal
10
Spiralgehäuse
11
Umgelenkter Kanalabschnitt
12
Gehäuseeinsatzstück
13
Innenkontur von
12
14
Axialer Kanalabschnitt
15
Innenzylinder
16
Hohlraum
17
Flexible Fixierung
18
Starre Fixierung
19
Wand von
1
20
Spitze von
6
21
Spalt
22
Trennfuge zwischen Spiral- und Lagergehäuse
23
Flächenmittelpunkt
24
Grösster Querschnitt des umgelnkten Kanalabschnitts
A axiale Richtung
B radiale Richtung

Claims (6)

1. Strömungsmaschine mit radial durchströmtem Verdichterrad (3), das auf einer in einem Lagergehäuse (1) der Strömungsmaschine gelagerten Welle (2) aufgenommen und in einem Verdichtergehäuse (8) mit einem schneckenförmigen Strömungskanal (9) angeordnet ist, wobei die Aussenkontur (6) der Nabe (4) des Verdichterrades (3) und die Innenkontur (7) des Verdichtergehäuses (8) einen von der axialen in die radiale Richtung umgelenkten Strömungskanal (9) ausbilden und das Verdichtergehäuse (8) mittels einer starren Fixierung (18) am Lagergehäuse (1) festgelegt ist, wobei das Verdichtergehäuse (8) aus einem äusseren Spiralgehäuse (10), das einen in die radiale Richtung (B) nach aussen umgelenkten Kanalabschnitt (11) des Strömungskanals (9) umfasst, und einem inneren Gehäuseeinsatzstück (12) zwischen dem Spiralgehäuse (10) und dem Verdichterrad (3), dessen Innenkontur (13) mit der Aussenkontur (6) der Nabe (4) des Verdichterrades (3) einen im wesentlichen in axialer Richtung (A) verlaufenden Kanalabschnitt (14) des Strömungskanals (9) ausbildet, gebaut ist, und wobei das Spiralgehäuse (10) mit einem das Gehäuseeinsatzstück (12) zumindest teilweise umgebenden Innenzylinder (15) ausgeführt ist, an dem das Gehäuseeinsatzstück (12) mittels einer Fixierung (17) angebaut ist, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Innenzylinder (15) des Spiralgehäuses (10) und dem Gehäuseeinsatzstück (12) ein Hohlraum (16) ausgebildet ist, und dass die Fixierung (17) des Gehäuseeinsatzes (12) in axialer Richtung (A) flexibel und weniger bruchsicher als die starre Fixierung (18) des Verdichtergehäuses (8) am Lagergehäuse (1) ausgeführt ist.
2. Strömungsmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die starre Fixierung (18) des Verdichtergehäuses (8) mittels einer festen Flanschverbindung des Spiralgehäuses (10) am Lagergehäuse (1) ausgeführt ist.
3. Strömungsmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die flexible Fixierung (17) des Gehäuseeinsatzstückes (12) mittels einer Dehnschraubenfixierung in axialer Richtung (A) durch den Innenzylinder (15) des Spiralgehäuses (10) ausgeführt ist.
4. Strömungsmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine zur starren Fixierung (18) des Spiralgehäuses (10) vorgesehene Wand (19) des Lagergehäuses (1) in radialer Richtung (B) bis über eine äussere Spitze (20) der Aussenkontur (6) der Nabe (4) des Verdichterrades (3) unter Ausbildung eines Spaltes (21) heruntergezogen angeordnet ist.
5. Strömungsmaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verdichtergehäuse (8) über das äussere Spiralgehäuse (10) derart unter Ausbildung einer Trennfuge (22) am Lagergehäuse (1) angesetzt ist, dass das äussere, den umgelenkten Kanalabschnitt (11) umfassende Spiralgehäuse (10) an der starren Fixierung (18) vorbei in radialer Richtung B nach innen gezogen ist, so dass die starre Fixierung (18) in radialer Richtung B weiter aussen liegend als die Trennfuge (22) zwischen Spiralgehäuse (10) und Lagergehäuse (1) angeordnet ist.
6. Strömungsmaschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen der Trennfuge (22) und der Welle (2) kleiner als der Abstand eines Flächenmittelpunktes (23) einer grössten Querschnittsfläche (24) des umgelenkten Kanalabschnittes (11) im Spiralgehäuse (10) zur Welle (2) ist.
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