EP1895107A1 - Exhaust gas turbine with segmented shroud ring - Google Patents

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Publication number
EP1895107A1
EP1895107A1 EP06405373A EP06405373A EP1895107A1 EP 1895107 A1 EP1895107 A1 EP 1895107A1 EP 06405373 A EP06405373 A EP 06405373A EP 06405373 A EP06405373 A EP 06405373A EP 1895107 A1 EP1895107 A1 EP 1895107A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
exhaust gas
segments
cover ring
gas turbine
ring
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP06405373A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Josef Bättig
Jozef Baets
Rolf Baechi
William Gizzi
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Accelleron Industries AG
Original Assignee
ABB Turbo Systems AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by ABB Turbo Systems AG filed Critical ABB Turbo Systems AG
Priority to EP06405373A priority Critical patent/EP1895107A1/en
Publication of EP1895107A1 publication Critical patent/EP1895107A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D25/00—Component parts, details, or accessories, not provided for in, or of interest apart from, other groups
    • F01D25/24—Casings; Casing parts, e.g. diaphragms, casing fastenings
    • F01D25/246—Fastening of diaphragms or stator-rings
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D11/00—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages
    • F01D11/003—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages by packing rings; Mechanical seals
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D11/00—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages
    • F01D11/02—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages by non-contact sealings, e.g. of labyrinth type
    • F01D11/025—Seal clearance control; Floating assembly; Adaptation means to differential thermal dilatations
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D25/00—Component parts, details, or accessories, not provided for in, or of interest apart from, other groups
    • F01D25/002—Cleaning of turbomachines
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2220/00—Application
    • F05D2220/40—Application in turbochargers

Definitions

  • the invention relates to the field of exhaust gas turbochargers for supercharged internal combustion engines.
  • the exhaust gas turbine comprises a turbine wheel with blades and a surrounding the blades radially surrounding cover ring.
  • Exhaust gas turbochargers are used to increase the performance of internal combustion engines, in particular reciprocating engines.
  • an exhaust gas turbocharger usually has a centrifugal compressor and a radial or axial turbine. From a certain size it makes sense to use axial turbines for the drive of the compressor. So that the exhaust gas can not bypass the blades of the axial turbine, they are surrounded by a housing part radially outward. This housing part thus limits the flow channel radially outward in the region of the rotor blades.
  • This housing part may be formed as an integral part of a diffuser arranged downstream of the rotor blades, as an integral part of a radially outer housing wall of a nozzle ring arranged upstream of the rotor blades, or as a separate cover ring.
  • the exhaust gas is heavily contaminated with soot, ash and other pollutants. These are deposited over time on certain components of the exhaust gas turbine, in particular on the blades, the cover ring, the guide vanes of the nozzle ring and the diffuser, and reduce the efficiency of the exhaust gas turbine, which reduces the overall performance of the internal combustion engine. For this reason, the soiled components of the exhaust gas turbine must be cleaned at regular intervals. Usually, the Exhaust gas turbine washed with water. To minimize the burden on the contaminated components, turbocharger manufacturers dictate that the load on the internal combustion engine be reduced during the wash cycle. As a result, the temperature of the affected components is already slightly reduced before the washing process, resulting in smaller loads.
  • CH 35 11 42 discloses an axial turbine having a turbine wheel with blades and a cover ring radially surrounding the blades, wherein the cover ring is divided into a plurality of separate segments.
  • the object of the present invention is to improve the exhaust gas turbine of an exhaust gas turbocharger such that it also withstands cleaning operations under full load without signs of wear on the components of the exhaust gas turbine.
  • the cover ring is radially divided outside the rotor blades of the turbine wheel through slots in a plurality of annular segments which are separated from one another in the circumferential direction.
  • the slots between the segments have between the inside and the outside of a deviating from the radial course. That is, the ends of the segments are shaped so that forms a contact surface with non-radial profile in the region of the joints.
  • the slots can be a wedge, square or semicircular course, or formed kinked with or without step, or just straight at an angle to radials. Thereby, a bypass flow through the slot from the blade inlet side with higher pressure to the blade outlet side is hindered or reduced.
  • the segments are suspended in an annular support and centered.
  • a tensioning device can press the segments in the radial direction against surrounding housing parts. Thanks to the clamping device, radial movements can be compensated elastically.
  • the cover ring loses its tangential relationship as a ring.
  • the cover pulls in a sudden cooling, as occurs during cleaning of the exhaust gas turbine, no longer together in the radial direction.
  • this means that the cover ring maintains the diameter of the hot state during the cleaning process and only the slots between the individual segments are larger.
  • a strip of the rotor blades of the turbine wheel can be prevented at the housing parts arranged radially outside.
  • segments which do not cool strongly may shrink less than those which cool strongly.
  • the individual segments can contract individually in the circumferential direction, without a large and uneven diameter reduction of the Abdeckringzone occurs.
  • the segmentation eliminates the influence of the local shrinkage zones on the circumference or diameter.
  • the slots between the segment ends are advantageously as thin as possible, ie in the microscopic range formed.
  • Fig. 1 shows a section through the axis of an axial turbine of an exhaust gas turbocharger according to the prior art.
  • the turbine wheel 10 rotatably mounted in a housing includes a hub 11 and a plurality of blades 12 disposed thereon.
  • the exhaust flow needed to drive the turbine is transmitted through a flow channel from the gas inlet housing 42 via the nozzle ring 20 to the blades of the turbine wheel and further through the diffuser 31 led to the gas outlet housing 41.
  • the nozzle ring 20 comprises an inner wall 21 and an outer wall 22 and vanes 23 arranged therebetween.
  • the walls of the nozzle ring as well as the diffuser are housing parts which delimit the flow channel of the exhaust gas.
  • the flow channel in the region of the rotor blades is delimited by a cover ring radially enclosing the rotor blades.
  • This housing part can, as in FIG. 1, be formed as an integral part of the diffuser 31 arranged downstream of the rotor blades.
  • the cover ring may be formed as an integral part of the radially outer housing wall 22 of the nozzle ring or as an independent component.
  • FIG. 2 shows a section through the axis of an axial turbine of an exhaust gas turbocharger with a second embodiment of a cover ring 5 designed according to the invention, which delimits the flow channel in the area radially outside the rotor blades 12 of the turbine wheel.
  • the segments are guided in circumferential grooves 45 and 46, and lie with radial projections 58 on radial projections 47 and 48 of the cover ring 5 axially adjacent housing parts, the circumferential rings 43 and 44, respectively.
  • This guide on the circumferential radial projections prevents the segments in the radial direction against the inside move. If the segments contract in a sudden cooling and there is a greater curvature of the inner radii of the segments, preventing the radial pads on the circumferential rings 43 and 44 that the tips of the segments move in the region of the blade tips, and that an abrasion causing contact comes. Instead, the segments curvature at most within the circumferential grooves 45 and 46, or outside the circumferential radial projections 47 and 48.
  • the circumferential ring 43 is supported by the thermally decoupled ring 44, so that the segments are held radially outward.
  • the thermal decoupling of the ring 44 is done by the arrangement radially outside and spaced from the outer housing wall 22 of the nozzle ring. When cleaning the segments are thereby suspended on a thermally decoupled and thus not shrinking ring.
  • circumferential grooves 45 and 46 or at least the circumferential radial projections 47 and 48, also be embedded in the diffuser 31 and in the outer wall 22 of the nozzle ring.
  • a circumferential groove with corresponding radial projections on the cover ring segments can also be provided only on one side.
  • the segments are advantageously additionally held in position with a tensioning device. Due to the geometry of the clamping device, radial movements of the segments 51 can be elastically compensated.
  • FIGS. 3 to 5 Three variants for clamping the cover ring against adjacent housing parts are shown in detail in FIGS. 3 to 5.
  • a leaf spring element 71 is used as the tensioning device.
  • the leaf spring 71 presses the segments 51 radially inwardly against the circumferential radial projections 47 and 48 in the circumferential grooves 45 and 46. It can be used a plurality of distributed circumferentially arranged leaf springs or a single, wavy leaf spring ring.
  • the leaf springs can act over the entire axial width of the segments or only over a part thereof, for example by a leaf spring having a small axial extent in the edge region of the segments, that is arranged in the region of the radial projections 58.
  • a wave ring 72 guided in a circumferential groove 59 in the segments 51 is arranged.
  • This Shaft ring 72 may be formed as a snap ring, which is introduced under bias into the groove.
  • the shaft ring 72 presses the segments radially inwardly against the circumferential radial projections 47 and 48.
  • a shrink plate 73 is shrunk onto the cover ring from the outside.
  • the individual segments are thereby additionally held together. Due to the shrink plate, a possible displacement of the individual segments along the circumference is prevented radially outwards.
  • the inner surfaces of the segments are thereby all kept in a parallel position to the ideal cylindrical surface. Such tilting would extremely degrade turbine efficiency.
  • the slots 57 between the individual segments 51 are formed as thin as possible. Since the temperature of the segments in operation is likely to be higher than the temperature during manufacture, the slots formed during manufacture close during operation due to the expansion of the segments along the circumference.
  • the slot width should, at least during operation of the exhaust gas turbine, be in the microscopic range of a few micrometers.
  • the slots between the segments at the joints are not strictly radially formed between the radially inner side of the cover ring and the radially outer side of the cover ring. Rather, the slots 57 extend from the inside to the outside deviating from the radial. This achieves a further improvement of the slot seal during operation.
  • a non-radially extending slot between two individual segments prevents the passage of hot gas from the turbine zone. This slot should act like a single-stage labyrinth seal and the more crooked the execution, the better the sealing effect.
  • a radial offset of the individual segments can be avoided with each other in radially positive joints.
  • FIGS. 6 to 12 show in detail seven different variants for the design of the end regions of the segments and thus for the course of the slots 57 from the inside to the outside.
  • Fig. 6 shows a wedge-shaped slot profile, in which one end of a first segment is provided with a perpendicular to the radial aligned, narrowing groove and the other end of a second segment with a wedge-shaped structure.
  • the wedge engages in the groove, wherein the surfaces of wedge and groove each run in pairs parallel to each other.
  • Fig. 7 shows a rectangular slot course, again with a groove in one end of a first segment and a structure on one end of a second segment.
  • Groove and structure have a rectangular profile, wherein the surfaces of groove and structure parallel to each other.
  • Fig. 8 shows a semicircular slot profile, in which the groove and the structure have a semicircular profile.
  • Fig. 9 shows a kinked slot profile in which the slot extends between the ends of a first and a second segment in two straight sections with different radial slopes.
  • Fig. 10 shows a stepped and Fig. 11 a straight, inclined to the radial slot course.
  • FIG. 12 shows a slot profile with intermeshing segment ends.
  • the end regions of two segments are each provided with a hook-shaped construction, which form a positive fit in the circumferential direction.
  • the contact surfaces between the two segments are advantageously formed inclined to the radial, so that the two segments can move against each other without wedge directly into each other.
  • the inventive exhaust gas turbine can be used instead of driving a compressor as a power turbine, about to drive an electric generator or a mechanical machine.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
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Abstract

The gas turbine comprises a turbine wheel with rotor blades and a cover ring that radially surrounds the rotor blades. The cover ring is divided, by slots (57), along the periphery into a number of separated segments (51). The slots have radially diverging gradients between the radial inner sides to radial outer side of segments. Each segment is guided in a surrounding groove (45,46). An independent claim is also included for an exhaust gas turbocharger.

Description

Technisches GebietTechnical area

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Abgasturbolader für aufgeladene Brennkraftmaschinen.The invention relates to the field of exhaust gas turbochargers for supercharged internal combustion engines.

Sie betrifft die Abgasturbine eines Abgasturboladers, wobei die Abgasturbine ein Turbinenrad mit Laufschaufeln und einen die Laufschaufeln radial umgebenden Abdeckring umfasst.It relates to the exhaust gas turbine of an exhaust gas turbocharger, wherein the exhaust gas turbine comprises a turbine wheel with blades and a surrounding the blades radially surrounding cover ring.

Stand der TechnikState of the art

Abgasturbolader werden zur Leistungssteigerung von Brennkraftmaschinen, insbesondere Hubkolbenmotoren, eingesetzt. Dabei besitzt ein Abgasturbolader üblicherweise einen Radialverdichter und eine Radial- oder Axialturbine. Ab einer bestimmten Grösse ist es sinnvoll Axialturbinen für den Antrieb des Verdichters einzusetzen. Damit das Abgas die Laufschaufeln der Axialturbine nicht umgehen kann, werden diese von einem Gehäuseteil radial aussen umschlossen. Dieses Gehäuseteil begrenzt somit im Bereich der Laufschaufeln den Strömungskanal radial nach Aussen. Dieses Gehäuseteil kann als integraler Bestandteil eines stromab der Laufschaufeln angeordneten Diffusors, als integraler Bestandteil einer radial äusseren Gehäusewand eines stromauf der Laufschaufeln angeordneten Düsenrings oder als separater Abdeckring ausgebildet sein.Exhaust gas turbochargers are used to increase the performance of internal combustion engines, in particular reciprocating engines. In this case, an exhaust gas turbocharger usually has a centrifugal compressor and a radial or axial turbine. From a certain size it makes sense to use axial turbines for the drive of the compressor. So that the exhaust gas can not bypass the blades of the axial turbine, they are surrounded by a housing part radially outward. This housing part thus limits the flow channel radially outward in the region of the rotor blades. This housing part may be formed as an integral part of a diffuser arranged downstream of the rotor blades, as an integral part of a radially outer housing wall of a nozzle ring arranged upstream of the rotor blades, or as a separate cover ring.

Je nach verwendetem Treibstoff, vor allem bei Schweröl (Heavy Fuel Oil, HFO), ist das Abgas stark mit Russ, Asche und anderen Schadstoffen verschmutzt. Diese lagern sich mit der Zeit auf gewissen Bauteilen der Abgasturbine, insbesondere auf den Laufschaufeln, dem Abdeckring, den Leitschaufeln des Düsenrings sowie dem Diffusor, ab und mindern den Wirkungsgrad der Abgasturbine, was insgesamt die Leistung der Brennkraftmaschine reduziert. Aus diesem Grund müssen die verschmutzten Bauteile der Abgasturbine in regelmässigen Abständen gereinigt werden. Üblicherweise wird die Abgasturbine mit Wasser gewaschen. Um die Belastungen für die verschmutzten Bauteil gering zu halten, wird von Turboladerherstellern vorgeschrieben, die Last der Brennkraftmaschine während des Waschvorgangs zu reduzieren. Dadurch wird die Temperatur der betroffenen Bauteile schon vor dem Waschvorgang etwas reduziert was zu kleineren Belastungen führt.Depending on the fuel used, especially in heavy fuel oil (HFO), the exhaust gas is heavily contaminated with soot, ash and other pollutants. These are deposited over time on certain components of the exhaust gas turbine, in particular on the blades, the cover ring, the guide vanes of the nozzle ring and the diffuser, and reduce the efficiency of the exhaust gas turbine, which reduces the overall performance of the internal combustion engine. For this reason, the soiled components of the exhaust gas turbine must be cleaned at regular intervals. Usually, the Exhaust gas turbine washed with water. To minimize the burden on the contaminated components, turbocharger manufacturers dictate that the load on the internal combustion engine be reduced during the wash cycle. As a result, the temperature of the affected components is already slightly reduced before the washing process, resulting in smaller loads.

Da die Betreiber der Brennkraftmaschinen immer weniger gewillt sind die Last der Brennkraftmaschine während des Reinigungsvorgangs zu reduzieren, triff das kühle Wasser auf die sehr heissen Bauteile. Da das Turbinenrad eine massive Scheibe jedoch der Abdeckring im Vergleich dazu nur ein dünnes Rohr ist, kühlt der Abdeckring viel schneller ab als das Turbinenrad. Das führt dazu, dass sich dieser schneller in radialer Richtung zusammenzieht. Aufgrund der engen Toleranzen zwischen den radial äussersten Spitzen der Laufschaufeln des Turbinenrades und dem angrenzenden Abdeckring kommt es deshalb häufig vor, dass die Laufschaufeln des Turbinenrades während des Waschvorgangs am Abdeckring streifen. Dies führt zu Abnutzung sowohl am Abdeckring als auch an den Spitzen der Laufschaufeln, was wiederum den Wirkungsgrad der Turbine mindert und insgesamt die Leistung der Brennkraftmaschine reduziert.Since the operators of the internal combustion engines are less willing to reduce the load of the internal combustion engine during the cleaning process, meet the cool water on the very hot components. Since the turbine wheel is a massive disk, however, the cover ring is only a thin tube compared to that, the cover ring cools much faster than the turbine wheel. This causes it to contract faster in the radial direction. Because of the tight tolerances between the radially outermost tips of the blades of the turbine wheel and the adjacent cover ring, it is therefore often the case that the blades of the turbine wheel during the washing process on the cover ring. This leads to wear both on the cover ring and on the tips of the blades, which in turn reduces the efficiency of the turbine and overall reduces the performance of the internal combustion engine.

CH 35 11 42 offenbart eine Axialturbine mit einem Turbinenrad mit Laufschaufeln und einem die Laufschaufeln radial umgebenden Abdeckring, wobei der Abdeckring in mehrere voneinander getrennte Segmente unterteilt ist. CH 35 11 42 discloses an axial turbine having a turbine wheel with blades and a cover ring radially surrounding the blades, wherein the cover ring is divided into a plurality of separate segments.

Kurze Darstellung der ErfindungBrief description of the invention

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, die Abgasturbine eines Abgasturboladers derart zu verbessern, dass sie auch Reinigungsvorgängen unter Volllast ohne Abnutzungserscheinungen an den Bauteilen der Abgasturbine standhält.The object of the present invention is to improve the exhaust gas turbine of an exhaust gas turbocharger such that it also withstands cleaning operations under full load without signs of wear on the components of the exhaust gas turbine.

Dies wird erfindungsgemäss erreicht, indem der Abdeckring radial ausserhalb der Laufschaufeln des Turbinenrades durch Schlitze in mehrere, in Umfangsrichtung voneinander getrennte Ringsegmente aufgeteilt ist. Die Schlitze zwischen den Segmenten weisen zwischen der Innenseite und der Aussenseite einen von der Radialen abweichenden Verlauf auf. Das heisst, die Enden der Segmente sind derart geformt, dass sich im Bereich der Stossstellen eine Kontaktoberfläche mit nicht radialem Verlauf ausbildet. Die Schlitze können einen keil-, rechteck- oder halbkreisförmigen Verlauf aufweisen, oder geknickt mit oder ohne Stufe ausgebildet sein, oder einfach gerade in einem Winkel zu Radialen verlaufen. Dadurch wird eine Bypassströmung durch den Schlitz von der Schaufeleintrittsseite mit höherem Druck zur Schaufelaustrittsseite behindert bzw. reduziert.This is achieved according to the invention in that the cover ring is radially divided outside the rotor blades of the turbine wheel through slots in a plurality of annular segments which are separated from one another in the circumferential direction. The slots between the segments have between the inside and the outside of a deviating from the radial course. That is, the ends of the segments are shaped so that forms a contact surface with non-radial profile in the region of the joints. The slots can be a wedge, square or semicircular course, or formed kinked with or without step, or just straight at an angle to radials. Thereby, a bypass flow through the slot from the blade inlet side with higher pressure to the blade outlet side is hindered or reduced.

Damit die einzelnen Segmente trotz der Schlitze einen Zusammenhang haben, werden die Segmente in einer ringförmigen Abstützung aufgehängt und zentriert. Um die Segmente in ihrer Position zu halten, kann eine Spannvorrichtung die Segmente in radialer Richtung gegen umliegende Gehäuseteile drücken. Dank der Spannvorrichtung können Radialbewegungen elastisch kompensiert werden.So that the individual segments have a connection despite the slots, the segments are suspended in an annular support and centered. In order to hold the segments in position, a tensioning device can press the segments in the radial direction against surrounding housing parts. Thanks to the clamping device, radial movements can be compensated elastically.

Der Abdeckring verliert dank der Segmentierung seinen tangentialen Zusammenhang als Ring. Damit zieht sich der Abdeckring bei einer schlagartigen Abkühlung, wie sie beim Reinigen der Abgasturbine vorkommt, nicht mehr in radialer Richtung zusammen. Konkret bedeutet dies, dass der Abdeckring den Durchmesser des heissen Zustandes während des Reinigungsvorgangs beibehält und lediglich die Schlitze zwischen den einzelnen Segmenten grösser werden. Dadurch kann ein Streifen der Laufschaufeln des Turbinenrades an den radial ausserhalb angeordneten Gehäuseteilen verhindert werden.Thanks to the segmentation, the cover ring loses its tangential relationship as a ring. Thus, the cover pulls in a sudden cooling, as occurs during cleaning of the exhaust gas turbine, no longer together in the radial direction. Specifically, this means that the cover ring maintains the diameter of the hot state during the cleaning process and only the slots between the individual segments are larger. As a result, a strip of the rotor blades of the turbine wheel can be prevented at the housing parts arranged radially outside.

Erfindungsgemäss können sich somit Segmente, die sich nicht stark abkühlen, weniger stark schrumpfen als solche, die stark abkühlen. Bei einem Waschvorgang können sich die einzelnen Segmente individuell in Umfangsrichtung zusammenziehen, ohne dass eine grosse und ungleichmässige Durchmesserreduktion der Abdeckringzone erfolgt. Durch die Segmentierung wird der Einfluss der lokalen Schrumpfzonen auf den Umfang bzw. Durchmesser aufgehoben.Thus, according to the invention, segments which do not cool strongly may shrink less than those which cool strongly. In a washing process, the individual segments can contract individually in the circumferential direction, without a large and uneven diameter reduction of the Abdeckringzone occurs. The segmentation eliminates the influence of the local shrinkage zones on the circumference or diameter.

Um den Wirkungsgrad der Turbine im normalen Betrieb durch die Schlitze zwischen den Segmenten nicht zu beeinträchtigen, sind die Schlitze zwischen den Segmentenden vorteilhafterweise möglichst dünn, also im mikroskopischen Bereich, ausgebildet.In order not to interfere with the efficiency of the turbine in normal operation through the slots between the segments, the slots between the segment ends are advantageously as thin as possible, ie in the microscopic range formed.

Weitere Vorteile ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.Further advantages emerge from the dependent claims.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings

Folgend sind anhand der Zeichnungen Ausführungsformen des Abgasturboladers mit erfindungsgemäss ausgeführten Turbinenabdeckringen beschrieben. Hierbei zeigt

Fig. 1
ein Schnittbild einer Abgasturbine gemäss dem Stand der Technik, mit einem im Diffusor integrierten Abdeckring über den Laufschaufeln der Turbine,
Fig. 2
ein Schnittbild einer Abgasturbine mit einem erfindungsgemäss ausgebildeten Abdeckring,
Fig. 3
eine isometrische Darstellung des erfindungsgemäss ausgebildeten Abdeckrings, mit einer Blattfeder zum Verspannen des Abdeckrings ,
Fig. 4
eine isometrische Darstellung des erfindungsgemäss ausgebildeten Abdeckrings, mit einem Wellenring zum Verspannen des Abdeckrings ,
Fig. 5
eine isometrische Darstellung des erfindungsgemäss ausgebildeten Abdeckrings, mit einem Wellenring und einem Schrumpfband zum Verspannen des Abdeckrings,
Fig. 6
eine Ansicht in axialer Richtung einer Stossstelle zwischen zwei Segmenten eines erfindungsgemäss ausgebildeten Abdeckrings, mit nach einer ersten Variante ausgebildeten Segmentenden,
Fig. 7
eine Ansicht in axialer Richtung einer Stossstelle zwischen zwei Segmenten eines erfindungsgemäss ausgebildeten Abdeckrings, mit nach einer zweiten Variante ausgebildeten Segmentenden,
Fig. 8
eine Ansicht in axialer Richtung einer Stossstelle zwischen zwei Segmenten eines erfindungsgemäss ausgebildeten Abdeckrings, mit nach einer dritten Variante ausgebildeten Segmentenden,
Fig. 9
eine Ansicht in axialer Richtung einer Stossstelle zwischen zwei Segmenten eines erfindungsgemäss ausgebildeten Abdeckrings, mit nach einer vierten Variante ausgebildeten Segmentenden,
Fig. 10
eine Ansicht in axialer Richtung einer Stossstelle zwischen zwei Segmenten eines erfindungsgemäss ausgebildeten Abdeckrings, mit nach einer fünften Variante ausgebildeten Segmentenden, und
Fig. 11
eine Ansicht in axialer Richtung einer Stossstelle zwischen zwei Segmenten eines erfindungsgemäss ausgebildeten Abdeckrings, mit nach einer sechsten Variante ausgebildeten Segmentenden, und
Fig. 12
eine Ansicht in axialer Richtung einer Stossstelle zwischen zwei Segmenten eines erfindungsgemäss ausgebildeten Abdeckrings, mit nach einer siebten Variante ausgebildeten Segmentenden.
Embodiments of the exhaust gas turbocharger with turbine exhaust rings according to the invention are described below with reference to the drawings. This shows
Fig. 1
a sectional view of an exhaust gas turbine according to the prior art, with a built-in diffuser cover over the blades of the turbine,
Fig. 2
a sectional view of an exhaust gas turbine with an inventively designed cover ring,
Fig. 3
an isometric view of the inventively designed cover ring, with a leaf spring for clamping the cover ring,
Fig. 4
an isometric view of the inventively designed cover ring, with a shaft ring for clamping the cover ring,
Fig. 5
an isometric view of the inventively formed cover ring, with a shaft ring and a shrink band for clamping the cover ring,
Fig. 6
3 a view in the axial direction of a joint between two segments of a cover ring formed according to the invention, with segment ends formed according to a first variant,
Fig. 7
3 is a view in the axial direction of a joint between two segments of a cover ring formed according to the invention, with segment ends formed according to a second variant,
Fig. 8
3 shows a view in the axial direction of a joint between two segments of a cover ring formed according to the invention, with segment ends formed according to a third variant,
Fig. 9
3 is a view in the axial direction of a joint between two segments of a cover ring formed according to the invention, with segment ends formed according to a fourth variant,
Fig. 10
a view in the axial direction of a joint between two segments of a cover ring formed according to the invention, formed according to a fifth variant segment ends, and
Fig. 11
a view in the axial direction of a joint between two segments of a cover ring formed according to the invention, with trained according to a sixth variant segment ends, and
Fig. 12
a view in the axial direction of a joint between two segments of a cover ring formed according to the invention, formed according to a seventh variant segment ends.

Weg zur Ausführung der ErfindungWay to carry out the invention

Fig. 1 zeigt einen Schnitt durch die Achse einer Axialturbine eines Abgasturboladers gemäss dem Stand der Technik. Das drehbar in einem Gehäuse gelagerte Turbinenrad 10 umfasst eine Nabe 11 und darauf angeordnet eine Vielzahl von Laufschaufeln 12. Die für den Antrieb der Turbine benötigte Abgasströmung wird durch einen Strömungskanal vom Gaseintrittsgehäuse 42 über den Düsenring 20 auf die Laufschaufeln des Turbinenrades und weiter über den Diffusor 31 zum Gasaustrittsgehäuse 41 geführt. Der Düsenring 20 umfasst eine Innenwand 21 und eine Aussenwand 22 sowie dazwischen angeordnete Leitschaufeln 23. Die Wände des Düsenrings wie auch der Diffusor sind Gehäuseteile, welche den Strömungskanal des Abgases begrenzen.Fig. 1 shows a section through the axis of an axial turbine of an exhaust gas turbocharger according to the prior art. The turbine wheel 10 rotatably mounted in a housing includes a hub 11 and a plurality of blades 12 disposed thereon. The exhaust flow needed to drive the turbine is transmitted through a flow channel from the gas inlet housing 42 via the nozzle ring 20 to the blades of the turbine wheel and further through the diffuser 31 led to the gas outlet housing 41. The nozzle ring 20 comprises an inner wall 21 and an outer wall 22 and vanes 23 arranged therebetween. The walls of the nozzle ring as well as the diffuser are housing parts which delimit the flow channel of the exhaust gas.

Damit das Abgas den Laufschaufeln des Turbinenrades nicht ausweichen kann, wird der Strömungskanal im Bereich der Laufschaufeln von einem die Laufschaufeln radial umschliessenden Abdeckring begrenzt. Dieses Gehäuseteil kann, wie in der Fig. 1, als integraler Bestandteil des stromab der Laufschaufeln angeordneten Diffusors 31 ausgebildet sein. Alternativ kann der Abdeckring als integraler Bestandteil der radial äusseren Gehäusewand 22 des Düsenrings oder als eigenständiges Bauteil ausgebildet sein.So that the exhaust gas can not escape the blades of the turbine wheel, the flow channel in the region of the rotor blades is delimited by a cover ring radially enclosing the rotor blades. This housing part can, as in FIG. 1, be formed as an integral part of the diffuser 31 arranged downstream of the rotor blades. Alternatively, the cover ring may be formed as an integral part of the radially outer housing wall 22 of the nozzle ring or as an independent component.

Fig. 2 zeigt einen Schnitt durch die Achse einer Axialturbine eines Abgasturboladers mit einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäss ausgebildeten Abdeckrings 5, welcher den Strömungskanal im Bereich radial ausserhalb der Laufschaufeln 12 des Turbinenrades begrenzt.2 shows a section through the axis of an axial turbine of an exhaust gas turbocharger with a second embodiment of a cover ring 5 designed according to the invention, which delimits the flow channel in the area radially outside the rotor blades 12 of the turbine wheel.

Der erfindungsgemäss ausgebildete Abdeckring besteht aus mehreren, entlang dem Umfang mittels Schlitzen unterteilten Segmenten 51. Die Segmente sind in umlaufenden Nuten 45 und 46 geführt, bzw. liegen mit Radialvorsprüngen 58 auf Radialvorsprüngen 47 und 48 der den Abdeckring 5 axial benachbarten Gehäuseteilen, der umlaufenden Ringe 43 bzw. 44, auf. Diese Führung an den umlaufenden Radialvorsprüngen verhindert, dass die Segmente sich in radialer Richtung gegen innen verschieben. Ziehen sich die Segmente bei einer plötzlichen Abkühlung zusammen und kommt es dabei zu einer stärkeren Krümmung der Innenradien der Segmente, verhindern die Radialauflagen an den umlaufenden Ringen 43 und 44, dass die Spitzen der Segmente sich in den Bereich der Laufschaufelspitzen verschieben, und dass es zu einem Abrieb verursachenden Kontakt kommt. Stattdessen krümmen sich die Segmente allenfalls innerhalb der umlaufenden Nuten 45 und 46, bzw. ausserhalb der umlaufenden Radialvorsprünge 47 und 48. Der umlaufende Ring 43 ist über den thermisch entkoppelten Ring 44 abgestützt, so dass die Segmente radial aussen gehalten werden. Die thermische Entkopplung des Ringes 44 geschieht durch die Anordnung radial ausserhalb und beabstandet von der äusseren Gehäusewand 22 des Düsenrings. Beim Reinigen sind die Segmente dadurch an einem thermisch entkoppelten und dadurch nicht schrumpfenden Ring aufgehängt.The segments are guided in circumferential grooves 45 and 46, and lie with radial projections 58 on radial projections 47 and 48 of the cover ring 5 axially adjacent housing parts, the circumferential rings 43 and 44, respectively. This guide on the circumferential radial projections prevents the segments in the radial direction against the inside move. If the segments contract in a sudden cooling and there is a greater curvature of the inner radii of the segments, preventing the radial pads on the circumferential rings 43 and 44 that the tips of the segments move in the region of the blade tips, and that an abrasion causing contact comes. Instead, the segments curvature at most within the circumferential grooves 45 and 46, or outside the circumferential radial projections 47 and 48. The circumferential ring 43 is supported by the thermally decoupled ring 44, so that the segments are held radially outward. The thermal decoupling of the ring 44 is done by the arrangement radially outside and spaced from the outer housing wall 22 of the nozzle ring. When cleaning the segments are thereby suspended on a thermally decoupled and thus not shrinking ring.

Anstelle von zusätzlichen umlaufenden Ringen 43 und 44, können die umlaufenden Nuten 45 und 46, bzw. zumindest die umlaufende Radialvorsprünge 47 und 48, auch in den Diffusor 31 bzw. in die Aussenwand 22 des Düsenrings eingelassen sein. Alternativ kann auch nur auf einer Seite eine umlaufende Nut mit entsprechenden Radialvorsprüngen an den Abdeckring-Segmenten vorgesehen sein.Instead of additional circumferential rings 43 and 44, the circumferential grooves 45 and 46, or at least the circumferential radial projections 47 and 48, also be embedded in the diffuser 31 and in the outer wall 22 of the nozzle ring. Alternatively, a circumferential groove with corresponding radial projections on the cover ring segments can also be provided only on one side.

Die Segmente werden vorteilhafterweise zusätzlich mit einer Spannvorrichtung in Ihrer Position gehalten. Durch die Geometrie der Spannvorrichtung können Radialbewegungen der Segmente 51 elastisch kompensiert werden.The segments are advantageously additionally held in position with a tensioning device. Due to the geometry of the clamping device, radial movements of the segments 51 can be elastically compensated.

Drei Varianten zum Verspannen des Abdeckrings gegen angrenzende Gehäuseteile sind in den Fig. 3 bis 5 detailliert dargestellt.Three variants for clamping the cover ring against adjacent housing parts are shown in detail in FIGS. 3 to 5.

In der ersten Variante gemäss Fig. 3 wird als Spannvorrichtung ein Blattfederelement 71 eingesetzt. Die Blattfeder 71 drückt die Segmente 51 radial nach innen gegen die umlaufenden Radialvorsprünge 47 und 48 in den umlaufenden Nuten 45 und 46. Es können mehrere, entlang dem Umfang verteilt angeordnete Blattfedern oder eine einziger, wellenförmiger Blattfederring eingesetzt werden. Die Blattfedern können über die gesamte axiale Breite der Segmente wirken oder nur über einen Teil davon, beispielsweise indem eine Blattfeder mit einer geringen axialen Ausdehnung im Randbereich der Segmente, also im Bereich der Radialvorsprünge 58 angeordnet ist.In the first variant according to FIG. 3, a leaf spring element 71 is used as the tensioning device. The leaf spring 71 presses the segments 51 radially inwardly against the circumferential radial projections 47 and 48 in the circumferential grooves 45 and 46. It can be used a plurality of distributed circumferentially arranged leaf springs or a single, wavy leaf spring ring. The leaf springs can act over the entire axial width of the segments or only over a part thereof, for example by a leaf spring having a small axial extent in the edge region of the segments, that is arranged in the region of the radial projections 58.

In der zweiten Variante gemäss Fig. 4 ist anstelle einer Blattfeder ein in einer umlaufenden Nut 59 in den Segmenten 51 geführter Wellenring 72 angeordnet. Dieser Wellenring 72 kann als ein Sprengring ausgebildet sein, welcher unter Vorspannung in die Nut eingebracht ist. Wie die Blattfeder in der ersten Variante der zweiten Ausführungsform, drückt der Wellenring 72 die Segmente radial nach innen gegen die umlaufenden Radialvorsprünge 47 und 48.In the second variant according to FIG. 4, instead of a leaf spring, a wave ring 72 guided in a circumferential groove 59 in the segments 51 is arranged. This Shaft ring 72 may be formed as a snap ring, which is introduced under bias into the groove. Like the leaf spring in the first variant of the second embodiment, the shaft ring 72 presses the segments radially inwardly against the circumferential radial projections 47 and 48.

In der dritten Variante gemäss Fig. 5 ist zusätzlich zum Wellenring 72 noch ein Schrumpfblech 73 von aussen auf den Abdeckring aufgeschrumpft. Die einzelnen Segmente werden dadurch zusätzlich zusammengehalten. Durch das Schrumpfblech wird eine mögliche Verschiebung der einzelnen Segmente entlang des Umfangs nach radial aussen verhindert. Die Innenflächen der Segmente werden dadurch alle in einer parallelen Position zur idealen Zylinderfläche gehalten. Eine solche Verkippung würde den Turbinenwirkungsgrad extrem verschlechtern.In the third variant according to FIG. 5, in addition to the shaft ring 72, a shrink plate 73 is shrunk onto the cover ring from the outside. The individual segments are thereby additionally held together. Due to the shrink plate, a possible displacement of the individual segments along the circumference is prevented radially outwards. The inner surfaces of the segments are thereby all kept in a parallel position to the ideal cylindrical surface. Such tilting would extremely degrade turbine efficiency.

Um den Wirkungsgrad der Abgasturbine im normalen Betrieb durch den segmentierten Abdeckring nicht zu beeinträchtigen, sind die Schlitze 57 zwischen den einzelnen Segmenten 51 so dünn wie möglich auszubilden. Da die Temperatur der Segmente im Betrieb gegenüber der Temperatur bei der Herstellung in der Regel höher sein dürfte, schliessen sich die bei der Herstellung entstehenden Schlitze im Betrieb aufgrund der Ausdehnung der Segmente entlang dem Umfang. Die Schlitzbreite sollte, zumindest im Betrieb der Abgasturbine, im mikroskopischen Bereich von einigen wenigen Mikrometern liegen.In order not to affect the efficiency of the exhaust gas turbine in normal operation by the segmented cover ring, the slots 57 between the individual segments 51 are formed as thin as possible. Since the temperature of the segments in operation is likely to be higher than the temperature during manufacture, the slots formed during manufacture close during operation due to the expansion of the segments along the circumference. The slot width should, at least during operation of the exhaust gas turbine, be in the microscopic range of a few micrometers.

Erfindungsgemäss sind die Schlitze zwischen den Segmenten an den Stossstellen, d.h. in dem Bereich an dem die jeweiligen Enden der Segmente 51 aneinander stossen, zwischen der radial inneren Seite des Abdeckrings und der radial äusseren Seite des Abdeckrings nicht streng radial verlaufend ausgebildet. Vielmehr verlaufen die Schlitze 57 von innen nach aussen abweichend von der Radialen. Damit wird im Betrieb eine weitere Verbesserung der Schlitzabdichtung erreicht. Ein nicht radial verlaufender Schlitz zwischen zwei einzelnen Segmenten verhindert das Durchströmen von Heissgas aus der Turbinenzone. Dieser Schlitz soll wie eine einstufige Labyrinthdichtung wirken und je verwinkelter die Ausführung, desto bester die Dichtwirkung. Zudem kann bei radial formschlüssigen Stossstellen ein radialer Versatz der einzelnen Segmente untereinander vermieden werden.According to the invention, the slots between the segments at the joints, ie in the region where the respective ends of the segments 51 abut one another, are not strictly radially formed between the radially inner side of the cover ring and the radially outer side of the cover ring. Rather, the slots 57 extend from the inside to the outside deviating from the radial. This achieves a further improvement of the slot seal during operation. A non-radially extending slot between two individual segments prevents the passage of hot gas from the turbine zone. This slot should act like a single-stage labyrinth seal and the more crooked the execution, the better the sealing effect. In addition, a radial offset of the individual segments can be avoided with each other in radially positive joints.

In den Fig. 6 bis 12 sind sieben verschiedene Varianten zur Ausgestaltung der Endbereiche der Segmente und damit zum Verlauf der Schlitze 57 von innen nach aussen detailliert dargestellt.FIGS. 6 to 12 show in detail seven different variants for the design of the end regions of the segments and thus for the course of the slots 57 from the inside to the outside.

Fig. 6 zeigt einen keilförmigen Schlitzverlauf, bei welchem das eine Ende eines ersten Segments mit einer senkrecht zur Radialen ausgerichteten, sich verengenden Nut und das andere Ende eines zweiten Segments mit einem keilförmigen Aufbau ausgestattet ist. Der Keil greift in die Nut ein, wobei die Oberflächen von Keil und Nut jeweils paarweise parallel zueinander verlaufen.Fig. 6 shows a wedge-shaped slot profile, in which one end of a first segment is provided with a perpendicular to the radial aligned, narrowing groove and the other end of a second segment with a wedge-shaped structure. The wedge engages in the groove, wherein the surfaces of wedge and groove each run in pairs parallel to each other.

Fig. 7 zeigt einen rechteckförmigen Schlitzverlauf, wiederum mit einer Nut in einem Ende eines ersten Segments und einem Aufbau auf einem Ende eines zweiten Segments. Nut und Aufbau haben ein rechteckförmiges Profil, wobei die Oberflächen von Nut und Aufbau parallel zueinander verlaufen.Fig. 7 shows a rectangular slot course, again with a groove in one end of a first segment and a structure on one end of a second segment. Groove and structure have a rectangular profile, wherein the surfaces of groove and structure parallel to each other.

Fig. 8 zeigt einen halbkreisförmigen Schlitzverlauf, bei welchem die Nut und der Aufbau ein halbkreisförmiges Profil aufweisen.Fig. 8 shows a semicircular slot profile, in which the groove and the structure have a semicircular profile.

Fig. 9 zeigt einen geknickten Schlitzverlauf, bei welchem der Schlitz zwischen den Enden eines ersten und eines zweiten Segments in zwei geraden Abschnitten mit unterschiedlichen radialen Neigungen verläuft.Fig. 9 shows a kinked slot profile in which the slot extends between the ends of a first and a second segment in two straight sections with different radial slopes.

Fig. 10 zeigt einen gestuften und Fig. 11 einen geraden, zur Radialen geneigten Schlitzverlauf.Fig. 10 shows a stepped and Fig. 11 a straight, inclined to the radial slot course.

Fig. 12 schliesslich zeigt ein Schlitzverlauf mit ineinandergreifenden Segmentenden. Die Endbereiche zweier Segmente sind jeweils mit einem hakenförmigen Aufbau versehen, welche in Umfangsrichtung einen Formschluss bilden. Die Kontaktflächen zwischen den beiden Segmenten sind vorteilhafterweise geneigt zur Radialen ausgebildet, so dass die beiden Segmenten sich gegeneinander verschieben können, ohne sich direkt ineinander zu verkeilen.Finally, FIG. 12 shows a slot profile with intermeshing segment ends. The end regions of two segments are each provided with a hook-shaped construction, which form a positive fit in the circumferential direction. The contact surfaces between the two segments are advantageously formed inclined to the radial, so that the two segments can move against each other without wedge directly into each other.

Die erfindungsgemässe Abgasturbine kann anstatt zum Antreiben eines Verdichters auch als Nutzturbine eingesetzt werden, etwa um einen Elektro-Generator oder eine mechanische Maschine anzutreiben.The inventive exhaust gas turbine can be used instead of driving a compressor as a power turbine, about to drive an electric generator or a mechanical machine.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

1010
Turbinenradturbine
1111
Turbinenradnabeturbine hub
1212
Laufschaufeln des TurbinenradesBlades of the turbine wheel
2020
Düsenringnozzle ring
2121
Innenwand des DüsenringsInner wall of the nozzle ring
2222
Aussenwand des DüsenringsOuter wall of the nozzle ring
2323
Leitschaufeln des DüsenringsGuide vanes of the nozzle ring
3131
Diffusordiffuser
4141
GasaustrittsgehäuseGas outlet casing
4242
GaseintrittsgehäuseGas inlet casing
43, 4443, 44
Umlaufender RingCirculating ring
45, 4645, 46
Umlaufende NutCircumferential groove
47, 4847, 48
Radialanschlagradial stop
55
AbdeckringFlange
5151
Segmente des AbdeckringsSegments of the cover ring
5757
Schlitzslot
5858
Radialanschlagradial stop
5959
Umlaufende NutCircumferential groove
66
Befestigungsmittel, SchraubeFastener, screw
7171
Federelement, BlattfederSpring element, leaf spring
7272
Federelement, WellenringSpring element, shaft ring
7373
Schrumpfbandshrink tape

Claims (5)

Abgasturbine, umfassend ein Turbinenrad (11) mit Laufschaufeln (12) und einem die Laufschaufeln radial umgebenden Abdeckring (5), wobei, der Abdeckring (5) in mehrere, durch Schlitze (57) entlang dem Umfang voneinander getrennte Segmente (51) unterteilt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Schlitze (57) zwischen den Segmenten (51) radial inneren Seite zur radial äusseren Seite einen von der Radialen abweichenden Verlauf aufweisen.An exhaust gas turbine comprising a turbine wheel (11) with blades (12) and a cover ring (5) radially surrounding the blades, the cover ring (5) being divided into a plurality of segments (51) separated by slots (57) along the circumference , characterized in that the slots (57) between the segments (51) radially inner side to the radially outer side have a deviating from the radial course. Abgasturbine gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Segment (51) in einer umlaufenden Nut (45, 46) geführt ist.Exhaust gas turbine according to claim 1, characterized in that each segment (51) in a circumferential groove (45, 46) is guided. Abgasturbine gemäss einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Segment (51) mittels eines Federelements (71, 72) und/ oder eines Schrumpfbandes (73) radial nach innen gegen einen Radialanschlag (47, 48) gedrückt wird.Exhaust gas turbine according to one of claims 1 or 2, characterized in that each segment (51) by means of a spring element (71, 72) and / or a shrink band (73) is pressed radially inwardly against a radial stop (47, 48). Abgasturbine gemäss einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schlitze (57) eine Schlitzdicke im mikroskopischen Bereich von einigen wenigen Mikrometern aufweisen.Exhaust gas turbine according to one of claims 1 to 3, characterized in that the slots (57) have a slot thickness in the microscopic range of a few micrometers. Abgasturbolader, gekennzeichnet durch eine Abgasturbine gemäss einem der vorangehenden Ansprüche.Exhaust gas turbocharger, characterized by an exhaust gas turbine according to one of the preceding claims.
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