DE3232925A1

DE3232925A1 - Turbolader mit unterteiltem turbinengehaeuse

Info

Publication number: DE3232925A1
Application number: DE19823232925
Authority: DE
Inventors: Allan Carl 46226 Indianapolis Ind. Harper; Arthur Henry 46250 Indianapolis Ind. Mains; Wilbur Allen 46161 Martinsville Ind. Spraker jun.
Original assignee: Wallace Murray Corp
Current assignee: Wallace Murray Corp
Priority date: 1981-10-14
Filing date: 1982-09-04
Publication date: 1983-04-28
Also published as: GB2112071A; SE8204884L; JPH0240842B2; CA1168879A; DE3232925C2; GB2112071B; FR2514416A1; JPS5874807A; US4384821A; SE8204884D0; SE451618B; FR2514416B1

Description

G 53

WALLACE MURRAY CORPORATION

299 Park Avenue

New York, N.Y. 10171, USA

Turbolader mit unterteiltem Turbinengehäuse

Vorliegende Erfindung bezieht sich auf Turbolader und insbesondere auf eine Gehäusekonstruktion für den Turbinonteil eines Turboladors.

Turbolader sind energiesparende Vorrichtungen für Verbrennungsmotoren, insbesondere Dieselmotoren für Lastwagen, Traktoren od.dgl. Ein Turbolader kann als eine Kombination aus Turbine und Verdichter angesehen werden, wobei die Turbinen- und Verdichterräder durch eine gemeinsame Welle gekoppelt oder miteinander verbunden sind. Die Abgase eines Verbrennungsmotors werden zu dem Turbinenrad geleitet. Die Gase durchströmen das Turbinenrad und ermöglichen den Entzug von Energie aus den Gasen über das Rad und setzen es in drehende Bewegung. Die Gase entweichen dann in den Auspuff, Das Verdichtorrad verdichtet Luft und leitet sie zum Motoreinlass, Ein Turbolader ist dementsprechend eine Vorrichtung für die zwangsweise Einleitung bei erhöhtem Druck der Luft oder Brennstoff-Luft-Mischung in eine Verbreimungsmaschine, wobei der Turbolader die (für das Drehen des Turbinenrados) notwendige Energie ausnützt, die sonst als Abgas abgegeben würde. In Abweichung von bekannten Überverdichtern, welche die Kraft für das Verdichterrad direkt von der Kurbelwelle des Motors abnehmen, entnimmt der Turbolader seine Kraft aus der in den Abgasen enthaltenen Energie.

Vorliegende Erfindung betrifft eine Verbesserung des Gehäuses des Turbinenteils eines Turboladers. In bestimmten Anwendungsfällen erwies es sich als vorteilhaft, die torusfb'rmige oder ringförmige Kammer im Turbinengehäuse in zwei Teile zu unterteilen, wobei diese beiden Teile durch eine sich radial erstreckende kreisförmige Trennwand und den Rest des Gehäuses gebildet werden. Die Trennwand erstreckt sich von einem äusseren Teil des Gehäuses radial nach innen zu der ringförmigen Verengung, durch die Abgase zum Turbinenrad gelangen. Die Turbine entspricht im allgemeinen der Ausführung mit radialer Einströmung. Beispiele für eine solche Gehäusekonstruktion findet man in der US-PS 3 270 ^95 vom 6. September 19-66, ertei3jt an Connor, und in der US-PS 3 292 364 vom 20. Dezember I966, erteilt an Cazier.

In einer typischen Turboladerkonstruktion mit geteiltem Gehäuse, wie sie in diesen beiden US-Patentschriften dargestellt ist, sind das Gehäuse für den Turbinenteil des Turboladers und die sich radial erstreckende Trennwand in einem Stück geformt, zum Beispiel aus Gusseisen. Während

des Betriebes des Turboladers gelangen die aus den Zylindern des Verbrennungsmotors in den Turbolader einstömenden heissen Gase in nur eine oder beide der zwei Kammern im Turbinenteil dos Gehäuses, Diese Gase sind sehr heiss und ver,j-Ursachen deshalb Veränderungen in den Gehäuseabmessungen, die auf die übliche Wirkung der Wärmedehnung von Metall aufgrund einer Erhöhung der Temperatur zurückzuführen sind. [ Sowohl die Trennwand als auch das Gehäuse neigen dazu, sich ! bei steigenden Temperaturen radial auszudehnen. Die Trennj 30 wand erreicht jedoch höhere Temperaturen als das Gehäuse, denn die Trennwand ist den heissen Gasen mit ihren beiden Oberflächen ausgesetzt, während eine Oberfläche des Ge- ; häuses kühlerer Aussenluft ausgesetzt ist. Aufgrund dieses Temperaturunterschiedes wäre in radialer Richtung die unhinderte Wärmoausdohnung der Trennwand grosser, als die-

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jenige des Gehäuses. Die geringere Wärmedehung des Gehäuses behindert die Wärmedehnung der Trennwand und verursacht so unerwünschte Wärmebeanspruchungen in der Tennwand. Ausserdera wirkt die geteilte Form des Turbinengehäuses selbsteinschränkend, da Temperaturänderungen selbst bei Fehlen von Temperaturgradienten thermische Belastungen verursachen, die das gesamte Belastungsnivoau erhöhen. Es wurde festgestellt, dass solche Belastungen zu Ausfällen odor Rissbildungen in der Trennwand mit anschliessendem Ausfall des Turboladers geführt haben.

Mit der erfindungsgemässen Ausführung wurde das Problem einer differentiellon Radialausdehnung überwunden. Um dies zu erreichen, wurden das Turboladergehäuse und die Trennwand in einer erfindungsgomässen Ausführungsart getrennt hergestellt, wobei sich dor radiale äussero Umfang der Trennwand in eine Nut im angrenzondon Teil dor Turbinongohäusekammer erstreckt. Zwischen dem radial äusseron Toil der Trennwand und dem radial äusseren Teil .der Nut ist ein radialer Freiraum vorgesehen, in dem der äussore Umfang der Trennwand angeordnet ist. Mit Hilfe diesex- Konstruktion kann sich die Trennwand radial ausdehnen und gleitet im Betrieb in der Nut radial nach Piussen an ihrom äusseren Umfang und verursacht so keine Belastungen des Gehäuses, da diese radiale Bewegung relativ unbehindert ist. Dementsprechend worden durch Wärme induzierte Belastungen in der Trennwand vermieden. Der radial äussersto Umfang der Trennwand ist vorzugsweise ausgekehlt oder gokerbt, um axial versetzte, winklig alternierende Segmente zu bilden, wobei diese Segmente in normaler Weise in axialer Richtung voneinander weggerichtet sind, um so ©ine Zentrierungs- oder Positionierungswirkung zwischen dem Gehäuse und der Trennwand zu bewirken. Um den Zusammenbau zu erleichtern, ist das Gehäuse aus zwei Teilen gebildet, wobei ein Teil einekontinuierliehe ringförmige Aussparung aufweist, so dass, wenn beide

Teile zusammengefügt werden, eine ringförmig kontinuierliche Nu», gebildet wird. Vorzugsweise wird die Trennwand aus einem hitzebeständigen Material, wie zum Beispiel rostfreiem Stahl gebildet, dor einen höheren Wärnieausdehnungskoeffizienten aufweisen kann, als das Gusseisen, aus dem das restliche Gehäuse besteht.

Nach einer weiteren erfindungsgemässen Änderung ist der äussere Radius der Trennwand gleich dem äusseren Radius der Gehäusenut, welche sie aufnimmt, wobei dio Trennwand mit einor ringförmig kontinuierlichen Dehnfuge versehen wird. In dieser zweiten Ausführungsart wird die äussere Dehnung des {jrösüton Teils der kreisförmigen Trennwand durch die Dehnfuge ausgeglichen, während nur die Ausdehnung des äussorston Rand teils der Trennwand radial nach aussen gegen das Turbinengehäuse drückt.

In den Zeichnungen zeigt:

^O Fig. 1 einen Längsschnitt eines Turboladerturbinengehäusetoils entsprechend der Erfindung, sowie die Anordnung des mit dem Gehäuse verbundenen üblichen Turbineiirades und Verdichterrades,

Fig. 2 oino Kantenansicht der Trennwand aus Fig. 1,

Fig. β eine Teilansicht ähnlich Fig. 1 und stellt eine Änderung dar.

In den Zeichnungen bozoichnet Position 10 generell ein Gehäuse für den Turbinenteil eines Turboladers. Das Gehäuse ist ringförmig kontinuierlich und wird durch einen Abschnitt oder ersten Teil 12 gebildet, der eine Vielzahl fest damit verbundener, winklig versetzter Nasen "\k aufweist, Position 16 bezeichnet einen ergänzenden Gehäusoabschnitt, der eben-

falls eine Vielzahl winklig versetzter Nasen 18 aufweist, die bei Zusammenfügen der Gehäusehälften in die Nasen 14 eingreifen. Position 20 bezeichnet eine ringförmig kontinuierliche Nut, in der eine ringförmig kontinuierliche Dichtung 22 sitzt, die zum Beispiel aus Draht gebildet wird* Position Zh bezeichnet einen Niet oder Bolzen für die Befestigung der ineinandergreifenden Nasen i4 und 18, Es können auch andere Mittel für die Verbindung; der Hälft on (Teile 12 und 16), zum Beispiel Schwoisson verwendet werden, Position 28 bezeichnet einen sich radial erstxOcken-. den Ausschnitt auf einer Fläche des äusseren Randes des Gehäuseteils 12, während Position 29 einen sich axial erstreckenden kreisförmigen Waridteil bezeichnet, der aus dem Ausschnitt 28 zur Fläche dos Randtoils von Gehäuse 12 verläuft.

Position 30 bezeichnet eine beliebige Anzahl sich am Umfang erstreckender axial versetzter Segmente, die am äusseren Umfang einer kreisförmigen scheibenförmigen Trennwand Jh angeordnet sind. Die kreisförmige Wand Jh weist eine zentru-· Ie Öffnung auf, um das Turbinenrad h6 aufzunehmen. Position 33 bezeichnet einen sich radial erstreckenden Freiraum oder Abstand zwischen dem radial äussorsten Teil der Wand Jh (mit Segmenten 30) und dom sich axial erstreckenden Wandteil 29.

Position JG bezeichnet eine ringförmig kontinuierliche Turbinenkammer und Position 38 bezeichnet eine zweite ringförmig kontinuorliche Turbinonkammer, die beide durch die Trenn— wand Jh abgegrenzt werden, die sich radial.nach innen in das Gehäuse 12, 16 erstreckt;. Position ^O bezeichnet einen radial innersten Teil der Gehäusehälfte 12 und Position h2 bezeichnet einen entsprechenden radial innersten Gehäuseteil der linken Gehäusehälfte 16. Eine Verengung hh bildet de*¹ radial innorsten Teil der Kammern 36, 38 in dem Bereich

4θ, 42, Position 46 bezeichnet ein klassisches Turbinenrad, das sich um die Achse 47 dreht, wobei das Turbinenrad das ι Verdichtorrad 48 dreht und sowohl daß Turbinenrad 46 als

auch das Verdichterrad 48 auf einer gemeinsamen Welle 50 5· angeordnet sind» Der Zusammenbau wird wie folgt betrieben:

Heisse Abgase werden mittels geeigneter Rohrleitungen im Turbolader (nicht dargestellt) in eine oder beide der ringförmigen Kammern 36 und 38 eingeleitet« Die Gase strömen radial nach innen durch die Verengung 44 auf den Umfang des Turbinenrades 46, Dann strömen sie entlang und zwischen den Schaufeln des Turbinenrades und treten dann in axialer Richtung als Abgas aus. Die Drehbewegung dos Turbinenrados 46 bewirkt eine Drehbewegung des Verdichterrades 48, um Luft zu komprimieren, die dann als Luftgemisch oder Luft-Brennstoff-Gemisch in die Verbrennungsmaschine gelangt. Die übrigen Teile, wie zum Beispiel das Verdichtergehäuse des Turboladers, sind nicht dargestellt, da sie nicht Teil der Erfindung und in der Technik wohl bekannt sind,

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Während des Betriebes dehnt sich die Trennwand 34 radial weiter aus als die radiale Dehnung der Turbinengehäusetoi-Ie 12 und 16. Mittels des Freiraums 33 kann sich der äussere Umfang der Trennwand ungezwungen radial nach aussen bewegen, um so mechanische Belastungen zu vermeiden, die sich sonst in der Trennwand aufbauen würden, wenn sich ihr äusserer Umfang nicht frei radial nach aussen bewegen könnte. Solch mangelnde Freiheit der radialen Bewegung nach aussen war eine typische Eigenschaft früherer Treimwandkonstruktionen in Turbinengehäusen und führte, wie bereits vorstehend gesagt, zu Ausfällen der Trennwand,

Die abwechselnd axial gegenüberliegend angeordneten Segmente haben eine dreifache Funktion, Erstens ermöglichen die Segmente bessere Toleranzen der Nutbreite, da ihre wirksame

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Breite leichter kontrolliert werden kann, als die Dicke des Blechmaterials. Zweitens haben die Segmente nur linearen Kontakt mit den Gussteilen, so dass Reibung· zwischen der Trennwand und gegossenen Teilen kontrolliert werden kann, Drittens erlaubt die Serpontinenform der Segmente eine kontrollierte axiale Vorbelastung zum Zwecke der Anordnung der Trennwand, d,h. die Segmente wirken Abdichtfeder gegen Druckwollen, so dass die beaufschlagte Vorlast auf ein Minimum reduziert worden kann.
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In Fig. 2 der Zeichnungen zeigt eine Rückansicht die gekehlte oder gekerbte Konfiguration dos äuss'ersten Umfangs der kreisförmigen Trennwand 3^· Man erkennt, dass der Umfang 30 eine serpentinenartigo oder wellenartige Konfiguration aufweist.

Als spezifisches Beispiel für die Erfindung wird die Trennwand 3h aus AISI 321 austenitischem rostfreien Stahl hergestellt, während die Gehäusehälften 12 und 16 aus bearbeiteten Eisenelementen hergestellt worden«

Fig. 3 der Zeichnung zeigt eino Änderung, der Trennwand 3k. Xn dieser Ausführungsart kann dor äussere Umfang der Trennwand ebenfalls gekehlt oder anders geformt worden, um Unterschiede in der Wärmedehnung zu ermöglichen. Dor I'etrachtor wird fcststellen, dass kein Freiraura wie der in Fig» 1 vorgesehene Freiraura 33 notwendig ist. In dieser Ausführungsart wird die radiale Bewegung des grössten Teils der der Scheibe 3'* ähnlichen Scheibe 34* relativ zum Gehäuse durch eine ringförmig kontinuierliche Dehnfuge ermöglicht, die durch eino Nut 60 in, der Scheibe gebildet wird. Die Nut 60 wird durch ßich axial erstreckende Teile 62 und 6'+ und den sich radial erstreckenden Teil 66 gebildet. Der Betrachter stellt fest, dass die Nut ein kontinuierliches ringförmiges oder umlaufendes Ausmass hat und vorzugsweise in der Nähe des äussers-"ten radialen Teils der Trennwand 3k* angeordnet ist. Der

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Dehnungsabschnitt 60 kann durch Stanzen der Scheibe gebildet werden, welche die Trennwand Jk' bildet. Der !Betrachter ist nun in der Lage, leicht festzustellen, dass eine radiale Ausdehung der Trennwand Jk* , wie sio durch hohe Temperaturen bewirkt wird, in einer Verwindung, der Dehnfuge 60 resultiert. Mit Hilfe der Dohnfuge 6O ergeben sich mit erhöhten Temperaturen verbundene radiale Kräfte Verwindungen der Dehnfuge 60, statt dass unerwünscht hohe Belastungen in der Trennwand 3^' aufgebaut werden. Die Ausdehnung dieser Scheibenteile radial nach innen von der Dehnfuge 60 werden von der Dehnungsverbindung aufgenommen. Eine radiale Ausdehnung der Scheibe in radialer Richtung über die Dehnfuge hinaus .wird Belastungen in diesem Teil hervorrufen, aber da diese Kräfte niedriger sind, werden sie keinen Ausfall vorursaclien. Um die Darstellung doutlichor zu machen, ist in Fig. 3 der Rand der Trennwand 3^' iro Abstand von der mit einer Nut versehenen Wand 29 und dicker als der Rest der Scheibe dargestellt.

Claims

Patentansprüche: JEine Turboladerkonstruktion mit geteiltem Turbinengehäu- e, mit ersten und zweiten ringförmigen Turbinonkammern für die Aufnahme von heisson Gi'asen, wobei diese Kammern in einem ringförmigen Gehäuse angeordnet sind, und einem radial nach innen angeordneten Turbinenrad in diosen ringförmigen Kammern, wobei dor radial unterste Teil des Gehäuses eine ringförmige Verengung aufweist und das Turbinenrad radial nach innen in dieser Verengung angeordnet ist und heisse Gase aufnimmt, die radial nach innen von den beiden ringförmigen Kammern durch die Ver- ■ engung strömen, um so das "!Turbinenrad in drehende Bewegung zu versetzen, und das Turbinenrad mit einem im axialen Abstand davon angeordneten Verdichtorrad gekoppelt ist, das dafür ausgelegt ist, Luft zu komprimieren, und die ersten und zweiten ringförmigen Kammern durch eine winklig kontinuierliche Trennwand begrenzt worden, die vom radial aussersten Teil des Gehäuses zu dieser Verengung verläuft, dadurch gekennzeichnet, dass:

1) die Trennwand von dem Gehäuse abtrennbar ist, wobei der radial ausserste Umfang der Trennwand in einer ringförmigen kontinuierlichen Nut im Gehäuse gehal- · ten wird;

2) Vorrichtungen, die es ermöglichen, dass mindestens der gröss.te Teil der Trennwand einer radialen Bewegung relativ zum Gehäuse unterzogen wird;

3) wodurch eine durch erhöhte Temperaturen bewirkte radiale Ausdehnung weitgehend unabhängig von Änderungen der Abmessungen des Gehäuses aufgrund solch erhöhter Temperaturen stattfinden kann.

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2. Eine Turboladerkonstruktion nach Anspruch 1, in der das Gehäuse durch zwei ringförmig kontinuierliche Gehäusehälften gebildet wird und eine der Gehäusehälften mindestens einen Teil der ringförmig kontinuierlichen Nut aufweist.

3. Eine Turboladerkonstruktion nach einem der Ansprüche 1 oder 2, in der die Vorrichtungen aus einem radialen Freiraum zwischen dem radial aussersten Umfang der Trennwand und dein radial äussersten Umfang der Nut bestehen.

kt Eine Turboladerkonstruktion nach Anspruch 3, in der der radial äusserste Umfang der Trennwand mit nebeneinanderliegenden, axial gegenüberliegend versetzten Segmenten versehen ist, die abwechselnd gegenüberliegende axiale Seiton der Nut berühren.

5, Eine Turboladerkonstruktion nach einem der Ansprüche 1 oder 2, in der die Vorrichtungen durch eine winklig kontinuierliche Dehnfuge gebildet werden, die in einem Stück mit der Trennwand ausgebildet ist und radial näher zum Gehäuse angeordnet ist, als zum radial innersten

Teil der Trennwand,

6, Eine Turboladerkonstruktion nach Anspruch 5» i*¹ der die

Werkstoffe des Gehäuses und der Trennwand unterschiedliche Wärmedehnungskoeffizienten aufweisen«

7, Turboladerkonstruktion nach Anspruch 3» in der die Werkstoffe dos Gehäuses und der Trennwand unterschiedliche Wärmedehnungskoeffizienten aufweisen.

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