DE4218229C1 - Turbocharger with radial flow through impeller - has blade retaining recesses, into which blades are insertable after axial shift of adjuster - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Strömungsmaschine, vorzugsweise Turbolader, mit einem radial durchströmten Laufrad, einem mit Schaufeln versehenen Leitapparat und einem konzentrisch angeordneten, parallel zur Laufradachse verschiebbaren, den Durchströmungsquerschnitt ändernden Stellelement, wobei das Stellelement als ein Teil der Seitenwand des Leitapparats auf der Strömungsaustrittsseite der Turbine ausgebildet, die gegenüberliegende Seitenwand des Leitapparats fest verbunden mit dem Lagergehäuse und die Höhe der in den Durchströmungsquerschnitt hineinragenden Schaufeln durch eine geradlinige axiale Verschiebung des Stellelements und dem Profil der Schaufeln entsprechende, diese aufnehmenden Ausnehmungen veränderbar ist.

Eine Änderung des Durchströmungsquerschnittes ist beispielsweise zur Anpassung des Leitapparates vor einem Turbinenlaufrad oder zur Anpassung des Nachleitapparates hinter einem Verdichterlaufrad an unterschiedliche Durchsatzmengen erwünscht.

Aus der US-Patentschrift 44 03 914 ist eine derartige Strömungsmaschine mit variabler Geometrie des Turbinenleitapparates und des Verdichternachleitapparates bekannt. Die Anwendung ist in einem Turbinenmotor (Gasturbine) vorgesehen, in dessen Brennkammer vorzugsweise flüssiger und/oder gasförmiger Kraftstoff verbrannt wird. Unter der Voraussetzung des Einsatzes hochwertiger Kraftstoffe, deren Verbrennung rückstandsarm erfolgt, können abrasiv wirkende Ablagerungen an den Schaufeln des Turbinenleitapparates und damit erhöhter Verschleiß an den Schaufeln und deren Ausnehmungen bei Betätigung des Stellelementes weitestgehend ausgeschlossen werden.

Dagegen bilden die bei der Verbrennung von sogenannten Rückstandsbrennstoffen (Schweröl) entstehenden Verbrennungsrückstände zusammen mit den nicht brennbaren Bestandteilen festhaftende Ablagerungen abrasiven Charakters, die sowohl den Wirkungsgrad verschlechtern als auch verstärkten Verschleiß verursachen. Gleiche Verhältnisse sind auch bei Turboladern radialer Bauart anzutreffen, die zur Aufladung von mit Schweröl betriebenen Dieselmotoren verwendet werden.

Der vorliegenden Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Strömungsmaschine der eingangs genannten Art, vorzugsweise Turbine radialer Bauart für Turbolader, so weiterzubilden, daß bei geringem Herstellungsaufwand der Verschleiß der zur Änderung des Durchströmungsquerschnitts benötigten Teile auch bei großer Dicke der Ablagerungsschicht minimiert wird und diese Teile selbst zur Entfernung der auf den Schaufeln gebildeten Ablagerungsschicht während der Stillstandszeiten der Turbine benutzt werden können.

Erfindungsgemäß wird die Verringerung des eingangs beschriebenen Verschleißverhaltens durch die Verwendung geeigneter Werkstoffe für bestimmte Bauteile des Leitapparates, bzw. der Schaufeln und des den Durchströmungsquerschnitt ändernden Stellelements erreicht. Dazu ist das mit den Ausnehmungen zur Aufnahme der Schaufeln des Leitapparates versehene Bauteil aus Keramik und die Schaufeln mit dem sie tragende Bauteil aus einem metallischen Werkstoff gefertigt. Das verwendete Keramik kann beispielsweise monolytisches Zirkonoxyd sein. Für den metallischen Werkstoff für die Schaufeln und für das sie tragende Bauteil können nach heutzutage in der Pulvermetallurgie gängigen Verfahren (HIP-Verfahren) hergestellte Materialien, vorzugsweise auf Kobalt- (z. B. Stellite) oder Nickel-Basis verwendet werden. Es ist auch denkbar, für diese Bauteile einen metallischen Werkstoff mit hochwarmfesten Eigenschaften zu verwenden und die Bauteile mittels thermischer Verfahren (Flamm- oder Plasmaspritzen) mit Spritzschichten aus keramischen, karbidischen oder oxydischen Material auszustatten. Für Keramiken kann z. B. Al₂O₃, Al₂O₃+TiO₂2, Cr₂O₃/NiAl oder Cr₂O₃, für Karbide kann z. B. WC/Co, WC/Ni/Al oder Co/Cr/Mo/W/Ni/Si und für Oxyde kann z. B. TiO₂ oder ZrO₂ verwendet werden. Des weiteren ist für eine Beschichtung der metallischen Bauteile auch ein chemisches oder physikalisches Aufdampfungsverfahren denkbar, wofür z. B. VC, NbC, TiC, TiN, W₂C, Cr₇C₃ oder Al₂O₃ verwendbar ist.

Dadurch, daß die Ausnehmungen in der Weise ausgebildet sind, so daß jede Schaufel während der Stillstandzeiten der Strömungsmaschine über ihre gesamte axiale Erstreckung mittels der geradlinigen axialen Verschiebung in eine Ausnehmung einführbar ist und jede Ausnehmung dem Durchströmungskanal zugewandte Kanten aufweist, kann eine Ablagerungsschicht von den Schaufeln beim Einführen derselben in die Ausnehmungen abgeschabt werden.

Weitere Merkmale und Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung anhand der Zeichnung in Verbindung mit den Ansprüchen.

Die Zeichnung zeigt

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine radial durchströmte Strömungsmaschine

Fig. 2 einen Schnitt entlang der Linie A-A in Fig. 1

Fig. 3 eine weitere Ausführung des den Durchströmungsquerschnitt ändernden Stellelementes in einer der Fig. 1 entsprechenden Darstellung.

Die Strömungsmaschine nach Fig. 1 weist ein Gehäuse 1 auf, in dem ein oder mehrere Zuströmkanäle 2 vorgesehen sind. In einem Lagergehäuse 22, mit dem das Gehäuse 1 fest verbunden ist, ist auf einer Welle 3 ein radial zu durchströmendes Laufrad 4 drehbar gelagert. Das Laufrad 4 ist beim Ausführungsbeispiel ein Turbinenlaufrad. Der Zuströmkanal 2 steht über einen Durchströmungskanal 5 mit dem Laufrad 4 in Verbindung. In bezug zur Durchströmungsrichtung ist vor dem Laufrad 4 ein mit Schaufeln 6 versehener Leitapparat 7 angeordnet. Der Leitapparat 7 weist ein konzentrisch um das Laufrad 4 angeordnetes ringförmiges, als Seitenwand ausgebildetes Stellelement 8 auf. An dem Stellelement 8 sind die in den Durchströmungskanal 5 hineinreichenden Schaufeln 6 fest angebracht. Dieses Stellelement 8 ist quer zum Durchströmungskanal 5, d. h. achsparallel zur Welle 3 verschiebbar im Gehäuse 1 der Strömungsmaschine angeordnet. Die axiale Erstreckung des Stellelementes 8 ist immer so dimensioniert, daß sie bei Betrieb der Turbine größer als der maximal vorgegebene Verstellweg ist, um Strömungen zwischen dem Stellelement 8 und dem Gehäuse 1 auszuschließen. Im Betrieb der Strömungsmaschine ist die Größe des Verstellweges so ausgelegt, daß die Fläche des kleinsten Durchströmungsquerschnittes mindestens halb so groß wie die Fläche des größten Durchströmungsquerschnittes ist. Andernfalls ist mit einer Verschlechterung des Wirkungsgrades infolge starker Strömungsablösungen nach dem Leitapparat zu rechnen. Im Stillstand der Turbine kann aber das Stellelement 8 zum Zwecke der Reinigung der Schaufeln 6 über die gesamte Breite des Durchströmungskanals 5 bewegt werden. Eine dem Stellelement 8 gegenüberliegende Seitenwand 9 des Leitapparates 7 ist fest in das Lagergehäuse 22 eingebracht und weist dem Profil der Schaufeln 6 entsprechende Ausnehmungen 10 auf. Die Ausnehmungen 10 sind leicht konisch ausgebildet, so daß die dem Durchströmungskanal zugewandten Kanten 23 zum Zwecke der Belagsentfernung von den Schaufeln 6 wie Schaber mit Hinterschliff wirken können. Die engste Stelle der konischen Ausnehmungen grenzt an den Durchströmungskanal 5. Die Schaufeln 6 sind in ihrer axialen Erstreckung so dimensioniert, daß sie auch noch bei Einstellung des größten Durchströmungsquerschnittes in den Ausnehmungen 10 der Seitenwand 9 geführt sind.

Fig. 2 zeigt die Seitenwand 9 mit den Ausnehmungen 10, in die die Schaufeln 6 des Leitapparates 7 eingreifen, wobei rings um das Profil jeder Schaufel ein möglichst schmaler Spalt 11 freibleibt. Die Seitenwand 9 kann sowohl als einstückiger Ring, als auch in der dargestellten Weise aus einer Vielzahl von Einzelsegmenten zusammengesetzt sein.

Die Strömungsmaschine weist außerdem einen am Gehäuse 1 konzentrisch zur Welle 3 des Laufrades 4 drehbar gelagerten Stellring 12 auf, in den schräg zu seiner Drehrichtung verlaufende Nuten 13 eingebracht sind und der fest mit einem Stellhebel 14 verbunden ist. In jede der Nuten 13 greift ein Stift 15 ein. Jeder Stift 15 ist mittels einer Klaue 16 fest auf ein freies Ende eines im Gehäuse 1 geradlinig, parallel zur Achse des ringförmigen Stellelementes 8 des Leitapparates 7 geführten Bolzen 17 aufgesetzt, die Bolzen 17 wiederum sind fest mit dem Stellelement 8 des Leitapparates 7 verbunden. Um eine axiale Verschiebung des Stellelementes 8 über die gesamte Breite des Durchströmungskanales 5 zu ermöglichen, wie es zum Zwecke der Reinigung notwendig ist, ist die Breite des Stellringes 12 größer als die maximale Breite des Durchströmungskanales 5 dimensioniert.

Bei Betätigung des Stellhebels 14, die mechanisch, hydraulisch oder pneumatisch erfolgen kann, dreht sich der Stellring 12. Durch die schräg zur Drehrichtung verlaufenden Nuten 13 werden die Bolzen 17 mittels des Stellringes 12 je nach Steigung der Verlaufsrichtung der Nuten 13 mehr oder weniger in axialer Richtung bewegt. Die axiale Verschiebung der Bolzen 17 bewirkt, daß sich das Stellelement 8 und die in den Durchströmungskanal 5 hineinreichenden Schaufeln 6 in axialer Richtung bewegen. Die Schaufeln 6 treten dabei mehr oder minder weit in die Ausnehmungen 10 der gegenüberliegenden Seitenwand 9 des Leitapparates 7 ein. Es wird daher die Höhe der Schaufeln 6 und somit die Fläche des Durchströmungsquerschnittes des Durchströmungskanals 5 stufenlos variiert. Dadurch kann der Durchströmungsquerschnitt den jeweiligen Durchsatzmengen angepaßt werden. Als Regelgröße für diese Stellbewegung kann dabei ein Betriebsparameter der Strömungsmaschine selbst, wie z. B. der Druck im Zuströmkanal, dienen. Ist die Strömungsmaschine ein Abgasturbolader, so kann auch ein Betriebsparameter des Motors als Regelgröße Verwendung finden.

Die Strömungsmaschine kann auch einen verstellbaren Leitapparat 18 aufweisen, wie in Fig. 3 gezeigt, der so ausgebildet ist, daß die Schaufeln 19 des Leitapparates 18 mittels eines Seitenteils 21 mit dem Lagergehäuse 22 der Strömungsmaschine verbunden sind. Ein als Seitenwand ausgebildetes Stellelement 20 weist dem Profil der Schaufeln 19 angepaßte, von den Schaufeln 19 durchsetzte Ausnehmungen 10 auf, in die die in der Ausgangsstellung der Fig. 3 dargestellten Schaufeln 19 etwas hineinragen. Rings um das Profil jeder Schaufel 19 bleibt wiederum ein möglichst schmaler Spalt 11 frei. Auch bei diesem Ausführungsbeispiel können die Ausnehmungen 10 analog zum ersten Ausführungsbeispiel und zum gleichen Zwecke leicht konisch ausgebildet sein. Dieses Stellelement 20 ist mittels der Bolzen 17 in den oben genannten Grenzen verschiebbar. Eine mögliche Position ist in Fig. 3 gestrichelt dargestellt. Um auch bei diesem Ausführungsbeispiel das Stellelement 20 über die gesamte Breite des Durchströmungskanales 5 axial verschieben zu können, müssen die Ausnehmungen 10 mindestens so tief wie die axiale Erstreckung der Schaufeln 6 ausgebildet sein. Dieses Stellelement 20 kann wie die Seitenwand 9 einstückig oder ebenfalls aus einer Vielzahl von Segmenten zusammengesetzt sein.

Diese Variante hat den Vorteil, daß keine durch die Strömungskräfte erzeugten Tangentialkräfte auf die Bolzen 17 wirken und eine erhöhte Reibung in den Bolzenführungen vermieden wird.

Um die Spalte 11 zwischen den Schaufeln 6, 19 des Leitapparates 7, 18 und den Ausnehmungen 10 in der Seitenwand 9 und dem Stellelement 20 des Leitapparates 7, 18 minimieren zu können, ohne ein Klemmen der Schaufeln 6, 19 bei axialer Verschiebung erwarten zu müssen, sind die Schaufeln 6, 19 nur sehr leicht konisch, vorzugsweise zylinderisch auszuführen.

Claims (9)

1. Strömungsmaschine, vorzugsweise Turbolader, mit einem radial durchströmten Laufrad, einem mit Schaufeln versehenen Leitapparat und einem konzentrisch angeordneten, parallel zur Laufradachse verschiebbaren, den Durchströmungsquerschnitt ändernden Stellelement, wobei das Stellelement als ein Teil der Seitenwand des Leitapparats auf der Strömungsaustrittsseite der Turbine ausgebildet, die gegenüberliegende Seitenwand des Leitapparats fest verbunden mit dem Lagergehäuse und die Höhe der in den Durchströmungsquerschnitt hineinragenden Schaufeln durch eine geradlinige axiale Verschiebung des Stellelements und dem Profil der Schaufeln entsprechende, diese aufnehmende Ausnehmungen veränderbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmungen (10) in der Weise ausgebildet sind, so daß alle Schaufeln (6, 19) über ihre gesamte axiale Erstreckung mittels der geradlinigen axialen Verschiebung des Stellelements in Ausnehmungen (10) einführbar sind und die Ausnehmungen (10) dem Durchströmungskanal (5) zugewandte Kanten (23) zum Zwecke der Belagsentfernung von den Schaufeln (6, 19) aufweisen, und daß das mit den Ausnehmungen (10) versehene Bauteil (9, 20) aus Keramik und die Schaufeln (6, 19) mit dem sie tragenden Bauteil (8, 21) aus einem metallischen Werkstoff ist.

2. Strömungsmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das die Schaufeln (6) tragende Bauteil (8) das Stellelement ist, mit dem die Schaufeln (6) fest verbunden sind und das die Ausnehmungen (10) aufweisende Bauteil (9) die gegenüberliegende, über ein Lagergehäuse (22) fest mit dem Gehäuse (1) der Strömungsmaschine verbundene Seitenwand (9) des Leitapparates (7) ist.

3. Strömungsmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das die Schaufeln (19) tragende Bauteil (21) eine mit dem Lagergehäuse (22) der Strömungsmaschine fest verbundene Seitenteil des Leitapparates (18) ist, mit dem die Schaufeln (19) fest verbunden sind und das die Ausnehmungen (10) aufweisende Bauteil (20) die das Stellelement bildende Seitenwand des Leitapparates (18) ist.

4. Strömungsmaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmungen (10) leicht konisch ausgebildet sind, so daß die dem Durchströmungskanal (5) zugewandten Kanten (23) zum Zwecke der Belagentfernung von den Schaufeln (6, 19) wie Schaber mit Hinterschliff wirken können.

5. Strömungsmaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Gehäuse (1) ein Stellring (12) konzentrisch zur Achse des Laufrades (4) drehbar gelagert ist, der schräg zu seiner Drehrichtung verlaufende Nuten (13) aufweist, in die je ein mit dem Stellelement (8, 20) fest verbundener Stift (15) eingreift.

6. Strömungsmaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in die Nuten (13) des Stellringes (12) mit einer Klaue (16) versehene Stifte (15) eingreifen, jede Klaue (16) das freie Ende eines im Gehäuse (1) geradlinig geführten Bolzen (17) fest umgreift und die Bolzen (17) fest mit dem Stellelement (8, 20) des Leitapparates (7, 18) verbunden sind.

7. Strömungsmaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Betrieb die Fläche des kleinsten Durchströmungsquerschnittes mindestens halb so groß wie die Fläche des größten Durchströmungsquerschnittes ist.

8. Strömungsmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bauteile (9, 20) einstückig gefertigt sind.

9. Strömungsmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bauteile (9, 20) aus einer Vielzahl von Segmenten zusammengesetzt sind.