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EP1222399A1 - Verfahren und vorrichtung zur kühlung der strömung in zwischen rotoren und statoren von turbomaschinen ausgebildeten radialspalten - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur kühlung der strömung in zwischen rotoren und statoren von turbomaschinen ausgebildeten radialspalten

Info

Publication number
EP1222399A1
EP1222399A1 EP99947180A EP99947180A EP1222399A1 EP 1222399 A1 EP1222399 A1 EP 1222399A1 EP 99947180 A EP99947180 A EP 99947180A EP 99947180 A EP99947180 A EP 99947180A EP 1222399 A1 EP1222399 A1 EP 1222399A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
cooling fluid
cooling
stator part
radial gap
radial
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.)
Granted
Application number
EP99947180A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP1222399B1 (de
Inventor
Dirk Wunderwald
Mihajlo-Rüdiger BOTHIEN
Ulf Christian MÜLLER
Joachim Bremer
Jürg Greber
Helmut Gieszauf
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
Publication of EP1222399A1 publication Critical patent/EP1222399A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP1222399B1 publication Critical patent/EP1222399B1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D29/00—Details, component parts, or accessories
    • F04D29/58—Cooling; Heating; Diminishing heat transfer
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D29/00—Details, component parts, or accessories
    • F04D29/58—Cooling; Heating; Diminishing heat transfer
    • F04D29/582—Cooling; Heating; Diminishing heat transfer specially adapted for elastic fluid pumps
    • F04D29/584—Cooling; Heating; Diminishing heat transfer specially adapted for elastic fluid pumps cooling or heating the machine
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D29/00—Details, component parts, or accessories
    • F04D29/26—Rotors specially for elastic fluids
    • F04D29/28—Rotors specially for elastic fluids for centrifugal or helico-centrifugal pumps for radial-flow or helico-centrifugal pumps
    • F04D29/284—Rotors specially for elastic fluids for centrifugal or helico-centrifugal pumps for radial-flow or helico-centrifugal pumps for compressors

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for cooling the flow in radial gaps formed between rotors and stators of turbomachinery, according to the preamble of claim 1 and the preamble of claim 7, but in particular for cooling the flow in the radial gap between the compressor wheel and the housing of a radial compressor.
  • non-contact seals especially labyrinth seals
  • turbomachinery construction To seal rotating systems, non-contact seals, especially labyrinth seals, are widely used in turbomachinery construction.
  • a high level of friction occurs as a result of the flow boundary layers that form. This leads to heating of the fluid in the separation gap and thus also to heating of the components surrounding the separation gap.
  • the high material temperatures reduce the lifespan of the corresponding components.
  • Air cooling for radial compressors with a sealing geometry on the rear side of the compressor wheel is known from EP 0 518 027 B1. This is between the individual sealing elements, an additional annular space is formed on the housing wall side of the radial compressor. A cold gas is introduced into this annular space, which has a higher pressure than the pressure prevailing at the outlet of the compressor wheel. The air supplied acts as impingement cooling. It divides in the sealing area and flows mainly radially inwards and outwards. This is also intended to achieve a blocking effect against the flow of hot compressor air from the outlet of the compressor wheel.
  • the cooling effect that can be achieved in this way is limited due to several factors.
  • the air injection leads to an increase in pressure and thrust, which increases the bearing load.
  • the temperature of the available air is also a limiting element. Particularly in the case of high-speed compressor wheels and high pressure ratios, as are common in modern turbocharger construction, situations can arise in which this type of cooling is not sufficient.
  • indirect cooling of the rear wall of the compressor wheel or of the medium flowing through the separation gap is also known from DE 196 52 754 A1.
  • a supply and distribution device connected to the lubricating oil system of the turbocharger is arranged on or in the rear part of the housing part which forms the separating gap.
  • the oil used for bearing lubrication serves as the cooling medium, for which purpose the lubricating oil circuit of the turbocharger is tapped.
  • a disadvantage of this cooling is the relatively high oil requirement and the additional amount of heat to be dissipated by the oil cooler. This leads to an increased construction volume of the cooler.
  • the cooling effect that can be achieved with indirect cooling is also limited, for which, in addition to the temperature of the cooling fluids that can be used in practice, the small construction volume available can be identified as the cause. Presentation of the invention
  • the invention tries to avoid all these disadvantages. It is the object of the invention to provide a method for cooling the flow in radial gaps formed between rotors and stators of turbomachines which is improved with regard to its cooling effect. In addition, a simple, inexpensive and robust device for implementing the method is to be specified.
  • both a stator part adjacent to the radial gap is acted on by a first cooling fluid and a second, gaseous cooling fluid is introduced into the radial gap.
  • At least one recess is formed in the interior of the stator part adjacent to the radial gap or at least one cavity is arranged on the stator part.
  • the recess or the cavity is connected both to a supply line and to a discharge line for the first cooling fluid.
  • at least one feed channel and a discharge device for the second cooling fluid are arranged on the radial gap.
  • Water is particularly advantageously used as the first cooling fluid and air as the second cooling fluid.
  • Water has a slightly higher density than the known lubricating oils and an approximately twice as large specific heat capacity. Since it has a cooling medium to be dissipated heat flow is proportional to the product of density and specific heat capacity, there is a clear advantage when using water as the first cooling fluid compared to oil cooling. With the same mass flow and temperature of the water, a larger amount of heat can thus be extracted from the medium flowing through the radial gap via the stator part to be cooled. The cooling effect on the areas of the rotor adjacent to the radial gap is therefore also greater. Conversely, a smaller mass flow of cooling water is required to dissipate the same amount of heat compared to lubricating oil, as a result of which the supply and discharge device for the cooling fluid can be dimensioned correspondingly smaller.
  • air as the second cooling fluid proves to be particularly advantageous because it is available in sufficient quantities, with sufficient pressure and at a suitably low temperature both in the environment and in the turbomachine itself.
  • the first cooling fluid In a system consisting of an internal combustion engine, a charge air cooler and an exhaust gas turbocharger, either fresh water from outside the system or advantageously water present in the system is used as the first cooling fluid.
  • the cooling water located in a cooling water circuit of the charge air cooler is used, which is branched off upstream of the charge air cooler.
  • the fixed stator part is a housing part ei ⁇ nes radial compressor, which delimits the radial gap to the rotor, that is, to the rotating compressor wheel of a turbocharger.
  • oil is used as the first cooling fluid, it can advantageously be branched off from the lubricating oil system, which is already present in the bearing housing of the turbomachine. In this way, a relatively simple and therefore inexpensive device can be created.
  • the first cooling fluid is a gaseous medium, it can be used for both direct and indirect cooling.
  • first and / or second cooling fluid When using helium or gases from low-temperature fluids, such as liquid nitrogen, carbon tetrachloride and benzin nitride, as the first and / or second cooling fluid, a particularly good cooling effect can be achieved.
  • low-temperature fluids such as liquid nitrogen, carbon tetrachloride and benzin nitride
  • Figure 1 is a schematic representation of the exhaust gas turbocharger connected to the internal combustion engine.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of an exhaust gas turbocharger 2 that interacts with an internal combustion engine 1 designed as a diesel engine.
  • the latter consists of a radial compressor 3 and an exhaust gas turbine 4, which have a common shaft 5.
  • the radial compressor 3 is connected to the combustion air via a charge air line 6 and the exhaust gas turbine 4 via an exhaust line 7 engine 1 connected.
  • a charge air cooler 8 is arranged in the charge air line 6, ie between the radial compressor 3 and the internal combustion engine 1.
  • the charge air cooler 8 has a cooling water circuit 9 with a supply or discharge, not shown.
  • the radial compressor 3 is equipped with a compressor housing 10, in which a rotor 11 designed as a compressor wheel and connected to the shaft 5 is arranged.
  • the compressor wheel 11 has a hub 13 with a plurality of rotor blades 12.
  • a flow channel 14 is formed between the hub 13 and the compressor housing 10. Downstream of the blades 12, a radially arranged, bladed diffuser 15 adjoins the flow channel 14, which in turn opens into a spiral 16 of the radial compressor 3.
  • the compressor housing 10 mainly consists of an air inlet housing 17, an air outlet housing 18, a diffuser plate 19 and a stator part 20 designed as an intermediate wall to a bearing housing 21 of the exhaust gas turbocharger 2 (FIG. 2).
  • the hub 13 has a rear wall 22 on the turbine side and a fastening sleeve 23 for the shaft 5.
  • the fastening sleeve 23 is received by the intermediate wall 20 of the compressor housing 10.
  • another suitable compressor wheel / shaft connection can also be selected. It is also possible to use an unbladed diffuser.
  • a circumferential recess 26 is formed in the intermediate wall 20 of the compressor housing 10 and is connected to both a supply line and a discharge line 27, 28 for a first cooling fluid 29.
  • the intermediate wall 20 on the compressor wheel side of the recess 26 is made as thin as possible.
  • a corresponding core is cast in during the manufacture of the intermediate wall 20, which must then be removed again.
  • a thin-walled tube that is closed at both ends can also be cast into the intermediate wall 20, the interior of which then forms the recess 26 (not shown).
  • the compressor wheel 11 When the exhaust gas turbocharger 2 is operating, the compressor wheel 11 sucks in ambient air as the working medium 31, which, as a main flow 32, enters the spiral 16 via the flow channel 14 and the diffuser 15, compresses there further and finally via the charge air line 6 for charging the exhaust gas turbocharger 2 connected internal combustion engine 1 is used.
  • the working medium 31 heated during the compression process is cooled beforehand in the charge air cooler 8.
  • the main flow 32 of the working medium 31 heated in the radial compressor 3 also acts on the radial gap 24 as a leakage flow 33, as a result of which the compressor wheel 11 is additionally heated.
  • Cooling water which is branched off from the cooling water circuit 9 of the charge air cooler 8 is introduced as cooling fluid 29 into the recess 26 of the intermediate wall 20 which is arranged directly adjacent to this critical area. There is thus indirect cooling of the leakage flow 33 located in the radial gap 24 and thus also of the compressor wheel 11.
  • the cooling fluid 29 is branched off upstream of the charge air cooler 8, so that effective cooling can be achieved with the relatively cold cooling water.
  • the now heated Kuhlfluid is after the cooling ⁇ process stream 29 via the drain line 28 ⁇ fed back into the cooling water circuit 9 from the charge air cooler 8 (Fig. 1).
  • Na ⁇ Moslich can take place in the system of the internal combustion engine 1, the charge air cooler 8 and Exhaust gas turbocharger 2 existing cooling water and fresh water from outside the system as cooling fluid 29 (not shown).
  • direct cooling of the leakage flow 33 is provided.
  • a plurality of feed channels 40 for a second cooling fluid 41 opening tangentially to the rear wall 22 of the compressor wheel 11 and arranged in the radial gap 24 are arranged so as to penetrate both the bearing housing 21 and the diffuser plate 19 (FIG. 2).
  • the supply channels 40 are connected downstream of the charge air cooler 8 to the charge air line 6, so that cooled charge air is used as the second cooling fluid 41 (FIG. 1).
  • the second cooling fluid 41 can also be introduced into the radial gap at a different point (not shown).
  • a pure film cooling of the entire rear wall 22 of the compressor wheel 11 is achieved by the tangential introduction of the second cooling fluid 41.
  • the second cooling fluid 41 replaces the hot leakage flow 33, so that the boundary layer which forms on the rear wall 22 of the compressor wheel 11 is formed from the start, above all, by the cooled charge air.
  • the subsequent discharge of the second cooling fluid 41 takes place via a discharge device 42 which engages in the intermediate wall 20 of the compressor housing 10.
  • cooling media such as helium or gases from low-temperature fluids (e.g. liquid nitrogen, carbon tetrachloride, benzene nitride, etc.) can also be used as the first and second cooling fluids 29, 41.
  • low-temperature fluids e.g. liquid nitrogen, carbon tetrachloride, benzene nitride, etc.
  • oil is used as the first cooling fluid 29, it can be supplied externally or advantageously branched off from the lubricating oil system which is already present in the bearing housing 21 of the exhaust gas turbocharger 2 (not shown). To this A relatively simple and therefore inexpensive supply of this likewise suitable cooling fluid is possible.

Landscapes

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  • Thermal Sciences (AREA)
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Abstract

Aufgabe der Erfindung ist es, ein bezüglich seiner Kühlwirkung verbessertes Verfahren zur Kühlung der Strömung in zwischen Rotoren und Statoren von Turbomaschinen ausgebildeten Radialspalten zu schaffen. Zudem soll eine einfache, kostengünstige und robuste Vorrichtung zur Umsetzung des Verfahrens angegeben werden. Erfindungsgemäss wird dies dadurch erreicht, dass ein dem Radialspalt (24) benachbartes Statorteil (20) mit einem ersten Kühlfluid (29) beaufschlagt und ein zweites, gasförmiges Kühlfluid (41) in den Radialspalt (24) eingeleitet wird. Dazu ist im Inneren des dem Radialspalt (24) benachbarten Statorteils (20) zumindest eine Ausnehmung (26) ausgebildet oder am Statorteil (20) zumindest ein Hohlraum angeordnet. Die Ausnehmung (26) bzw. der Hohlraum ist sowohl mit einer Zufuhrleitung (27) als auch mit einer Abfuhrleitung (28) für das erste Kühlfluid (29) verbunden. Zudem sind zumindest ein Zuführkanal (40) sowie eine Abführeinrichtung (42) für das zweite Kühlfluid (41) am Radialspalt (24) angeordnet.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Kühlung der Strömung in zwischen Rotoren und Statoren von Turbomaschinen ausgebildeten Radialspalten
Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Kühlung der Strömung in zwischen Rotoren und Statoren von Turbomaschinen ausgebildeten Radialspalten, gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und dem Oberbegriff des Anspruchs 7, insbesondere jedoch zur Kühlung der Strömung im Radialspalt zwischen dem Verdichterrad und dem Gehäuse eines Radialverdichters.
Stand der Technik
Zur Abdichtung rotierender Systeme sind im Turbomaschinenbau berührungsfreie Dichtungen, insbesondere Labyrinthdichtungen weit verbreitet. Im fluiddurch- strömten Trenπspalt zwischen rotierenden und stehenden Teilen tritt infolge der sich ausbildenden Strömungsgrenzschichten eine hohe Reibleistung auf. Dies führt zu einer Erwärmung des Fluids im Trennspalt und damit auch zur Erwärmung der den Trennspalt umgebenden Bauteile. Die hohen Materialtemperaturen haben eine Reduktion der Lebensdauer der entsprechenden Bauteile zur Folge.
Ein einfach aufgebauter Radialverdichter ohne eine im Trennspalt ausgebildete Dichtgeometrie ist aus der DE 195 48 852 A1 bekannt. Auch dabei sorgt die infolge von Strömungsscherschichten an der Rückwand des Verdichterrades entstehende Reibungswärme für eine Erwärmung des Verdichterrades und damit für eine Reduktion seiner Lebensdauer.
Aus der EP 0 518 027 B1 ist eine Luftkühlung für Radialverdichter mit einer Dichtgeometrie auf der Rückseite des Verdichterrades bekannt. Dazu ist zwischen den einzelnen Dichtelementen ein zusätzlicher Ringraum auf der Gehäusewandseite des Radialverdichters ausgebildet. In diesen Ringraum wird ein kaltes Gas eingeführt, welches einen höheren als den am Austritt des Verdichterrades herrschenden Druck aufweist. Die zugeführte Luft wirkt als Prallkühlung. Dabei teilt sie sich im Dichtungsbereich und strömt hauptsächlich radial nach innen sowie nach aus- sen. Dadurch soll ausserdem eine Sperrwirkung gegen die Durchströmung des Trennspaltes mit heisser Verdichterluft vom Austritt des Verdichterrades erzielt werden.
Die auf diese Weise erreichbare Kühlwirkung ist jedoch aufgrund mehrerer Faktoren begrenzt. Beispielsweise führt die Lufteinblasung zu einer Druck- und Schuberhöhung, wodurch die Lagerbelastung steigt. Ausserdem stellt auch die Temperatur der zur Verfügung stehenden Luft ein limitierendes Element dar. Insbesondere bei schnelllaufenden Verdichterrädern und bei hohen Druckverhältnissen, wie sie im modernen Turboladerbau üblich sind, kann es somit zu Situationen kommen, bei denen diese Art der Kühlung nicht ausreicht.
Neben der direkten Kühlung ist aus der DE 196 52 754 A1 auch eine indirekte Kühlung der Rückwand des Verdichterrades bzw. des durch den Trennspalt strömenden Mediums bekannt. Dazu ist am oder im an der Rückwand stehenden und mit dieser den Trennspalt bildenden Gehäuseteil eine mit dem Schmierölsystem des Turboladers verbundene Zuführ- und Verteileinrichtung angeordnet. Als Kühlmedium dient das zur Lagerschmierung eingesetzte Öl, wozu der Schmierölkreislauf des Turboladers angezapft wird. Ein Nachteil dieser Kühlung ist der relativ hohe Ölbedarf und die vom Ölkühler zusätzlich abzuführende Wärmemenge. Dies führt zu einem vergrösserten Bauvolumen des Kühlers. Zudem besteht bei einer Havarie mit Beschädigung der entsprechenden Bauteile eine erhöhte Verpuf- fungsgefahr. Ebenso wie bei der direkten Kühlung ist auch die bei der indirekten Kühlung erreichbare Kühlwirkung begrenzt, wofür neben der Temperatur der in der Praxis nutzbaren Kühlfluide insbesondere das zur Verfügung stehende geringe Bauvolumen als Ursache auszumachen ist. Darstellung der Erfindung
Die Erfindung versucht alle diese Nachteile zu vermeiden. Ihr liegt die Aufgabe zugrunde, ein bezüglich seiner Kühlwirkung verbessertes Verfahren zur Kühlung der Strömung in zwischen Rotoren und Statoren von Turbomaschinen ausgebildeten Radialspalten zu schaffen. Zudem soll eine einfache, kostengünstige und robuste Vorrichtung zur Umsetzung des Verfahrens angegeben werden.
Erfindungsgemäss wird dies dadurch erreicht, dass bei einem Verfahren gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1 , sowohl ein dem Radialspalt benachbartes Statorteil mit einem ersten Kuhlfluid beaufschlagt als auch ein zweites, gasförmiges Kuhlfluid in den Radialspalt eingeleitet wird.
Aufgrund der Verwendung eines ersten Kühlfluides zur indirekten und zusätzlich eines zweiten Kühlfluides zur direkten Kühlung der den Radialspalt beaufschlagenden Teilströmung des Arbeitsmittels der Turbomaschine können eine deutlich verbesserte Kühlwirkung und auch eine bessere Kühleffektivität erzielt werden. Somit ermöglicht erst diese zweifache Kühlung des Radialspaltes eine weitere Senkung der Temperatur des thermisch stark belasteten Rotors bis in Temperaturbereiche, welche mit den herkömmlichen Kühlkonfigurationen nicht erreichbar waren.
Dazu ist im Inneren des dem Radialspalt benachbarten Statorteils zumindest eine Ausnehmung ausgebildet oder am Statorteil zumindest ein Hohlraum angeordnet. Die Ausnehmung bzw. der Hohlraum ist sowohl mit einer Zufuhrleitung als auch mit einer Abfuhrleitung für das erste Kuhlfluid verbunden. Zudem sind am Radialspalt zumindest ein Zuführkanal sowie eine Abführeinrichtung für das zweite Kuhlfluid angeordnet.
Besonders vorteilhaft wird als erstes Kuhlfluid Wasser und als zweites Kuhlfluid Luft eingesetzt.
Wasser besitzt eine etwas höhere Dichte als die bekannten Schmieröle sowie eine etwa doppelt so grosse spezifische Wärmekapazität. Da der über ein Kühl- medium abzuführende Wärmestrom proportional dem Produkt aus Dichte und spezifischer Wärmekapazität ist, ergibt sich bei Verwendung von Wasser als erstes Kuhlfluid ein deutlicher Vorteil gegenüber einer Olkühlung. Bei gleichem Massenstrom und gleicher Temperatur des Wassers kann somit aus dem durch den Radialspalt strömenden Medium über das zu kühlende Statorteil eine grössere Wärmemenge entzogen werden. Der Kühleffekt auf die an den Radialspalt angrenzenden Bereiche des Rotors ist daher ebenfalls grösser. Im Umkehrschluss wird zum Ableiten der gleichen Wärmemenge gegenüber Schmieröl ein kleinerer Massenstrom an Kühlwasser benötigt, wodurch die Zu- und Abfuhreiπrichtung für das Kuhlfluid entsprechend geringer dimensioniert sein kann.
In Abhängigkeit von der rotorseitigen Wanddicke, welche möglichst gering gehalten werden soll, kann durch die dem Radialspalt unmittelbar benachbarte Wasserführung im Inneren des Statorteils eine verbesserte Kühlwirkung erzielt werden. Wird jedoch statt der Ausnehmung im Statorteil der beschriebene Hohlraum am Statorteil ausgebildet, so kann bei ebenfalls guter Kühlwirkung eine einfachere und kostengünstigere Herstellung realisiert werden.
Die Verwendung von Luft als zweites Kuhlfluid erweist sich insbesondere deshalb als vorteilhaft, weil sie sowohl in der Umgebung als auch in der Turbomaschine selbst in ausreichender Menge, mit ausreichendem Druck und mit geeignet niedriger Temperatur zur Verfügung steht.
In einem aus einer Brennkraftmaschine, einem Ladeluftkühler und einem Abgasturbolader bestehenden System wird entweder Frischwasser von ausserhalb des Systems oder vorteilhaft im System vorhandenes Wasser als erstes Kuhlfluid verwendet. Im letzteren Fall findet dazu das in einem Kühlwasserkreislauf des Ladeluftkühlers befindliche Kühlwasser Verwendung, welches stromauf des Ladeluftkühlers abgezweigt wird. Dabei ist das feststehende Statorteil ein Gehäuseteil ei¬ nes Radialverdichters, welches den Radialspalt zum Rotor, d.h. zum rotierenden Verdichterrad eines Abgasturboladers begrenzt. Wird dagegen Öl als erstes Kuhlfluid eingesetzt, so kann dieses vorteilhaft aus dem im Lagergehäuse der Turbomaschine ohnehin vorhandenen Schmierölsystem abgezweigt werden. Auf diese Weise kann eine relativ einfachere und damit kostengünstige Vorrichtung erstellt werden. Handelt es sich beim ersten Kuhlfluid um ein gasförmiges Medium, so kann dieses sowohl für die direkte als auch für die indirekte Kühlung verwendet werden.
Bei Verwendung von Helium oder Gasen aus Tieftemperaturfluiden, wie beispielsweise flüssiger Stickstoff, Tetrachlorkohlenstoff und Beπzolnitrid als erstes und/oder zweites Kuhlfluid kann eine besonders gute Kühlwirkung erzielt werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand eines mit einer Brennkraftmaschine verbundenen Abgasturboladers dargestellt.
Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung des mit der Brennkraftmaschine verbundene Abgasturboladers;
Fig. 2 einen Teillängsschnitt durch den Radialverdichter des Abgasturboladers;
Es sind nur die für das Verständnis der Erfindung wesentlichen Elemente gezeigt. Die Strömungsrichtung der Arbeitsmittel ist mit Pfeilen bezeichnet.
Weg zur Ausführung der Erfindung
Die Figur 1 zeigt in einer schematischen Darstellung einen mit einer als Dieselmotor ausgebildeten Brennkraftmaschine 1 zusammenwirkenden Abgasturbolader 2. Letzterer besteht aus einem Radialverdichter 3 und einer Abgasturbine 4, welche eine gemeinsame Welle 5 aufweisen. Der Radialverdichter 3 ist über eine La- deluftleitung 6 und die Abgasturbine 4 über eine Abgasleitung 7 mit der Brenn- kraftmaschine 1 verbunden. In der Ladeluftleitung 6, d.h. zwischen dem Radialverdichter 3 und der Breπnkraftmaschine 1 , ist ein Ladeluftkühler 8 angeordnet. Der Ladeluftkühler 8 besitzt einen Kühlwasserkreislauf 9 mit einer nicht dargestellten Zu- bzw. Abfuhr.
Der Radialverdichter 3 ist mit einem Verdichtergehäuse 10 ausgestattet, in dem ein als Verdichterrad ausgebildeter und mit der Welle 5 verbundener Rotor 11 angeordnet ist. Das Verdichterrad 11 besitzt eine mit einer Vielzahl von Laufschaufeln 12 besetzte Nabe 13. Zwischen der Nabe 13 und dem Verdichtergehäuse 10 ist ein Strömungskanal 14 ausgebildet. Stromab der Laufschaufeln 12 schliesst an den Strömungskanal 14 ein radial angeordneter, beschaufelter Diffusor 15 an, welcher seinerseits in eine Spirale 16 des Radialverdichters 3 mündet. Das Verdichtergehäuse 10 besteht hauptsächlich aus einem Lufteintrittgehäuse 17, einem Luftaustrittgehäuse 18, einer Diffusorplatte 19 und einem als Zwischenwand zu einem Lagergehäuse 21 des Abgasturboladers 2 ausgebildeten Statorteil 20 (Fig. 2).
Die Nabe 13 weist turbinenseitig eine Rückwand 22 sowie eine Befestigungsmuffe 23 für die Welle 5 auf. Die Befestiguπgsmuffe 23 wird von der Zwischenwand 20 des Verdichtergehäuses 10 aufgenommen. Natürlich kann auch eine andere geeignete Verdichterrad-Wellen-Verbindung gewählt werden. Ebenso ist auch der Einsatz eines unbeschaufelten Diffusors möglich.
Zwischen dem rotierenden Verdichterrad 11 , d.h. seiner Rückwand 22 und der feststehenden Zwischenwand 20 des Verdichtergehäuses 10 existiert zwangsläufig ein Trennspalt, welcher bei einem Radialverdichter 3 als Radialspalt 24 ausgebildet ist. Der Radialspalt 24 ist mit einem zwischen der Befestigungsmuffe 23 und dem Zwischenwand 20 angeordneten Dichtungsring 34 gegenüber dem Lagergehäuse 21 abgedichtet. Natürlich kann diese Abdichtung auch über eine im Radialspalt 24 angeordnete Labyrinthdichtung realisiert werden (nicht dargestellt). In der Zwischenwand 20 des Verdichtergehäuses 10 ist eine umlaufende Ausnehmung 26 ausgebildet und sowohl mit einer Zufuhr- als auch mit einer Abfuhrleitung 27, 28 für ein erstes Kuhlfluid 29 verbunden. Um eine möglichst hohe Kühl- Wirkung beim benachbarten Verdichterrad 11 zu erzielen, ist die Zwischenwand 20 verdichterradseitig der Ausnehmung 26 möglichst dünn ausgebildet. Dazu wird bei der Herstellung der Zwischenwand 20 ein entsprechender Kern eingegossen, welcher anschliessend wieder entfernt werden muss. Natürlich kann in die Zwischenwand 20 auch ein dünnwandiges und an beiden Enden verschlossenes Rohr eingegossen werden, dessen Innenraum dann die Ausnehmung 26 bildet (nicht dargestellt).
Beim Betrieb des Abgasturboladers 2 saugt das Verdichterrad 11 als Arbeitsmedium 31 Umgebungsluft an, die als eine Hauptströmung 32 über den Strömungskanal 14 sowie den Diffusor 15 in die Spirale 16 gelangt, dort weiter verdichtet und schliesslich über die Ladeluftleitung 6 zur Aufladung der mit dem Abgasturbolader 2 verbundenen Brennkraftmaschine 1 eingesetzt wird. Zuvor erfolgt jedoch im Ladeluftkühler 8 eine entsprechende Abkühlung des beim Verdichtungsvorgang aufgeheizten Arbeitsmediums 31.
Auf ihrem Weg vom Strömungskanal 14 zum Diffusor 15 beaufschlagt die im Radialverdichter 3 erhitzte Hauptströmung 32 des Arbeitsmediums 31 als Leckageströmung 33 auch den Radialspalt 24, wodurch das Verdichterrad 11 zusätzlich erhitzt wird. Weil jedoch die Betriebstemperatur im äusseren Bereich des Verdichterrades 11 am grössten ist, tritt insbesondere dort eine grosse Materialbelastung auf. In die unmittelbar benachbart zu diesem kritischen Bereich angeordnete Ausnehmung 26 der Zwischenwand 20 wird als Kuhlfluid 29 aus dem Kühlwasserkreislauf 9 des Ladeluftkühlers 8 abgezweigtes Kühlwasser eingeleitet. Es kommt somit zu einer indirekten Kühlung der im Radialspalt 24 befindlichen Leckageströmung 33 und damit auch des Verdichterrades 11. Dabei erfolgt die Abzweigung des Kühlfluids 29 stromauf des Ladeluftkühlers 8, so dass mit dem relativ kalten Kühlwasser eine effektive Kühlung erzielt werden kann. Nach dem Kühl¬ vorgang wird das nunmehr erwärmte Kuhlfluid 29 über die Abfuhrleitung 28 strom¬ ab des Ladeluftkühlers 8 in den Kühlwasserkreislauf 9 rückgespeist (Fig. 1). Na¬ türlich kann statt dem im System von Brennkraftmaschine 1 , Ladeluftkühler 8 und Abgasturbolader 2 vorhandenen Kühlwasser auch Frischwasser von ausserhalb des Systems als Kuhlfluid 29 zugeführt werden (nicht dargestellt).
Zusätzlich zur bisher beschriebenen indirekten Kühlung ist eine direkte Kühlung der Leckageströmung 33 vorgesehen. Dazu sind mehrere tangential zur Rückwand 22 des Verdichterrades 11 in den Radialspalt 24 mündende Zuführkanäle 40 für ein zweites Kuhlfluid 41 sowohl das Lagergehäuse 21 als auch die Diffusor- platte 19 durchdringend angeordnet (Fig. 2). Die Zuführkanäle 40 sind stromab des Ladeluftkühlers 8 mit der Ladeluftleitung 6 verbunden, so dass als zweites Kuhlfluid 41 gekühlte Ladeluft Verwendung findet (Fig. 1). Selbstverständlich kann das zweite Kuhlfluid 41 auch an einer anderen Stelle in den Radialspalt eingeleitet werden (nicht dargestellt).
Durch die tangentiale Einleitung des zweiten Kühlfluids 41 wird eine reine Filmkühlung der gesamten Rückwand 22 des Verdichterrades 11 realisiert. Das zweite Kuhlfluid 41 ersetzt die heisse Leckageströmung 33, so dass die sich an der Rückwand 22 des Verdichterrades 11 ausbildende Grenzschicht bereits von Beginn an vor allem durch die gekühlte Ladeluft gebildet wird. Die anschliessende Ableitung des zweiten Kühlfluids 41 erfolgt über eine in der Zwischenwand 20 des Verdichtergehäuses 10 angreifende, nicht weiter dargestellte Abführeinrichtung 42. Diese Kombination von indirekter und direkter Kühlung hat einen besonderen Kühleffekt zur Folge, weil sich die beiden Kühlmöglichkeiten in ihrer Wirkung ergänzen und somit für eine sehr hohe Temperaturreduktion im Verdichterrad 11 sorgen.
Natürlich können als erstes und als zweites Kuhlfluid 29, 41 auch andere Kühlmedien, wie beispielsweise Helium oder Gase aus Tieftemperaturfluiden (z.B. flüssiger Stickstoff, Tetrachlorkohlenstoff, Benzolnitrid u.a.) verwendet werden.
Wird Öl als erstes Kuhlfluid 29 eingesetzt, so kann dieses von extern zugeführt oder vorteilhaft aus dem im Lagergehäuse 21 des Abgasturboladers 2 ohnehin vorhandenen Schmierölsystem abgezweigt werden (nicht dargestellt). Auf diese Weise ist eine relativ einfachere und damit kostengünstige Zufuhr dieses ebenfalls geeigneten Kühlfluides möglich.
Bezugszeichenliste
1 Brennkraftmaschine
2 Abgasturbolader
3 Radialverdichter
4 Abgasturbine
5 Welle
6 Ladeluftleitung
7 Abgasleitung
8 Ladeluftkühler
9 Kühlwasserkreislauf
10 Verdichtergehäuse
11 Rotor, Verdichterrad
12 Laufschaufel
13 Nabe
14 Strömungskanal
15 Diffusor
16 Spirale
17 Lufteintrittgehäuse
18 Luftaustrittgehäuse
19 Diffusorplatte
20 Statorteil, Zwischenwand
21 Lagergehäuse
22 Rückwand
23 Befestigungsmuffe
24 Radialspalt, Trennspalt
25 Labyriπthdichtung Ausnehmung
Zufuhrleitung
Abfuhrleitung erstes Kuhlfluid
Arbeitsmedium
Hauptströmung
Leckageströmung
Dichtungsring
Zuführkanal zweites Kuhlfluid
Abführeinrichtung

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Kühlung der Strömung in zwischen Rotoren und Statoren von Turbomaschinen ausgebildeten Radialspalten, dadurch gekennzeichnet, dass ein dem Radialspalt (24) benachbartes Statorteil (20) mit einem ersten Kuhlfluid (29) beaufschlagt und ein zweites, gasförmiges Kuhlfluid (41) in den Radialspalt (24) eingeleitet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das erste Kuhlfluid (29) in eine im Statorteil (20) ausgebildete Ausnehmung (26) oder in einen am Statorteil (20) angeordneten Hohlraum eingeleitet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass Wasser als erstes Kuhlfluid (29) verwendet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass Frischwasser von ausserhalb eines aus einer Brennkraftmaschine (1), eines Ladeluftküh- lers (8) und eines Abgasturboladers (2) bestehenden Systems als erstes Kuhlfluid (29) verwendet wird.
5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass in einem aus einer Brennkraftmaschine (1) einem Ladeluftkühler (8) und einem Abgasturbolader (2) bestehenden System vorhandenes Wasser als erstes Kuhlfluid (29) verwendet wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Kühlwasserkreislauf (9) des Ladeluftkühlers (8) vorhandenes Kühlwasser als erstes Kuhlfluid (29) verwendet und letzteres stromauf des Ladeluftkühlers (8) abgezweigt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass Öl, Helium oder Gase aus Tieftemperaturfluiden als erstes Kuhlfluid (29) verwendet werden.
8. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass als zweites, gasförmiges Kuhlfluid (41) Luft, Helium oder Gase aus Tieftemperaturfluiden verwendet werden.
9. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch, bei welcher ein feststehendes Statorteil (20) den Radialspalt (24) zum Rotor (11) begrenzend angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass a) im Inneren des Statorteils (20) zumindest eine Ausnehmung (26) ausgebildet oder am Statorteil (20) zumindest ein Hohlraum angeordnet und die Ausnehmung (26) oder der Hohlraum sowohl mit einer Zufuhrleituπg (27) als auch mit einer Abfuhrleitung (28) für das erste Kuhlfluid (29) verbunden ist und b) zumindest ein Zuführkanal (40) sowie eine Abführeinrichtung (42) für das zweite Kuhlfluid (41) am Radialspalt (24) angeordnet sind.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das feststehende Statorteil (20) als Teil eines Verdichtergehäuses (10) eines Radialverdichters (3) ausgebildet ist, welches den Radialspalt (24) zu einem rotierenden Verdichterrad (11 ) eines Abgasturboladers (2) begrenzt.
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