DE102004057864A1

DE102004057864A1 - Abgasturbolader, Leitapparat für einen Abgasturbolader sowie Schaufelhebel für einen Leitapparat

Info

Publication number: DE102004057864A1
Application number: DE102004057864A
Authority: DE
Inventors: Hans-Josef Hemer
Original assignee: BorgWarner Inc; Borg Warner Automotive Inc
Current assignee: BorgWarner Inc
Priority date: 2004-11-30
Filing date: 2004-11-30
Publication date: 2006-06-01
Also published as: US7886536B2; JP4768416B2; EP1662094A3; EP1662094B1; EP1662094A2; US20060112690A1; JP2006161811A

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Abgasturbolader (1) sowie insbesondere einen Leitapparat (13) für einen Abgasturbolader (1). Der Leitapparat (13) umfasst einen Ring von Leitschaufeln (8), die mittels Schaufelzapfen (18) an einem Schaufellagerring (12) drehbar gelagert sind. Die Schaufelzapfen (18) sind jeweils verdrehfest mit einem Schaufelhebel (11) verbunden. Die Schaufelhebel (11) weisen Schaufelhebeleingriffsmittel (17, 10; 46, 47) auf, welche mit Verstellringeingriffsmitteln (16; 10, 57) eines gegenüber dem Schaufellagerring (12) drehbaren Verstellrings (9) derart in Wirkverbindung stehen, dass bei Verdrehung des Verstellrings (9) in Bezug auf den Schaufellagerring (12) alle Schaufelhebel (11) und mit ihnen die Leitschaufeln (8) gleichzeitig verdreht werden. Der Verstellring (9) ist an axialen Ansätzen (14) mehrerer der Schaufelhebel (11) radial abgestützt gelagert. Die Erfindung sieht vor, dass wenigstens eines der Schaufelhebeleingriffsmittel einen in einen Kulissenstein (10) eingreifenden Hebelzapfen (17) aufweist und dass das zugehörige Verstellringeingriffsmittel eine Ausnehmung (16) aufweist, in welcher der Kulissenstein (10) verschieblich geführt ist. Alternativ oder zusätzlich ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass wenigstens eines der Verstellringeingriffsmittel einen in einen Kulissenstein (10) eingreifenden Verstellringzapfen (57) aufweist und dass das zu diesem Verstellringeingriffsmittel korrespondierende Schaufelhebeleingriffsmittel eine Ausnehmung (46) ...

Description

Die Erfindung betrifft einen Abgasturbolader mit variabler Turbinengeometrie gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, einen Leitapparat für einen Abgasturbolader nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 5 sowie einen Schaufelhebel für einen Leitapparat eines Abgasturboladers nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 11.
Bei Turbomaschinen, in denen die Turbine zum Antrieb eines Kompressors oder Laders dient, ist es oft von Vorteil, den Abgasstrom in die Turbine zu regeln, um den Wirkungsgrad, das Ansprechverhalten oder den Betriebsbereich zu verbessern. Dies kann insbesondere durch eine variable Geometrie der zum Turbinenrad führenden Düsenkanäle erreicht werden. Diese Düsenkanäle mit variabler Geometrie können über einen Ring von Leitschaufeln gebildet werden, die drehbar gelagert sind, um auf diesem Weg die zwischen ihnen liegenden Kanäle unterschiedlich einstellen zu können. Die Ausführung der in Verbindung mit den schwenkbaren Schaufeln verwendeten Verstelleinrichtung ist entscheidend, um ein Verklemmen der Verstelleinrichtung oder der Schaufeln zu verhindern.

Die US 2,860,827 und die US 4,179,247 zeigen Vorschläge zur Verhinderung einer Blockierung der Verstelleinrichtung für die schwenkbaren Schaufeln. Keiner der beiden Konstruktionen ist jedoch für solche Temperaturschwankungen im Turbinengehäuse oder der Komponenten der Verstelleinrichtung geeignet, wie sie in modernen Verbrennungskraftmaschinen auftreten. Darüber hinaus ist insbesondere die Lagerung der US 4,179,247 vergleichsweise kompliziert im Zusammenbau.

Aus dem betriebsinternen Stand der Technik ist ein Abgasturbolader mit variabler Turbinengeometrie bekannt. Dieser ist in diversen perspektivischen Ansichten in den 9 bis 12 dargestellt.

Der grundsätzliche Aufbau dieses Abgasturboladers gemäß dem betriebsinternen Stand der Technik ergibt sich aus der 9. Für das Verständnis der nachfolgend beschriebenen Erfindung wesentliche Einzelkomponenten des Abgasturboladers nach der 9 ergeben sich aus den 10 bis 12.

Der beispielhaft dargestellte Abgasturbolader 1 gemäß dem betriebsinternen Stand der Technik weist ein aus einem Lagergehäuse 3 und einem Turbinengehäuse 2 bestehendes Gehäuse auf, in welchem eine Welle 4 drehbar gelagert ist. Die Welle 4 trägt an einem Ende ein Verdichterrad 33 und an dem gegenüberliegendem Ende ein Turbinenrad 5. Innerhalb des Turbinengehäuses 2 ist auf der Seite des Turbinenrads 5 eine Volute 6 gebildet, die in radialer Richtung in einen Ringkanal 7 übergeht. Im Ringkanal 7 sind verstellbare Leitschaufeln 8 angeordnet.

Die Leitschaufeln 8 sind an einem Schaufellagerring 12 und an einem mittels Distanzhalter 29 beabstandeten Stütz- und Lagerring 28 drehbar gelagert und werden über einen Aktuator 32 verstellt, der in hier nicht näher dargestellter Art und Weise auf einen Verstellring 9 einwirkt. Eine Drehbewegung. des Verstellrings 9 in Bezug auf den Schaufellagerring 12 wird auf die Leitschaufeln 8 übertragen, die auf diese Weise in einem vorgegebenen Drehbereich zwischen einer geöffneten und einer geschlossenen Position verstellt werden können. Die gesamte Verstelleinrichtung inklusive der hierzu gehörenden Komponenten wird in der Fachsprache als Leitapparat 13 bezeichnet.

Die Strömungskanäle des ringförmigen, radial von Auspuffgasen durchströmten Ringkanals 7, werden durch die Zwischenräume zwischen Leitschaufeln 8 gebildet. Die Strömungskanäle sind durch unterschiedliche Winkelstellungen der Leitschaufeln 8 änderbar.

Die 10 bis 12 zeigen, dass die Leitschaufeln 8 an dem Schaufellagerring 12 mittels Schaufelzapfen 18 befestigt sind, welche den Schaufellagerring 12 durchsetzen, und die an ihren den Leitschaufeln 8 gegenüberliegenden Enden jeweils einen nachfolgend als Schaufelhebel 11 bezeichneten Betätigungsarm tragen.

Der Verstellring 9, der zur gleichzeitigen Betätigung aller Schaufelhebel 11 dient, ist in der darüber liegenden axialen Ebene der kreisförmig angeordneten Schaufelhebel 11 angeordnet. Zum Betätigen aller Schaufelhebel 11 weist der Verstellring 9 an seinem inneren Rand Eingriffsmittel auf, die mit entsprechenden Eingriffsmitteln an jedem der Schaufelhebel 11 derart zusammenwirken, dass bei Verdrehung des Verstellrings 9 in Bezug auf den Schaufellagerring 12 alle Schaufelhebel 11, und mit ihnen die Leitschaufeln 8, gleichzeitig verschwenkt werden.

Der Verstellring 9 trägt als Betätigungsmittel einen mit dem Aktuator 32 in Wirkverbindung stehenden Aktuatorzapfen 15, um den Verstellring 9 von außerhalb des Gehäuses steuern zu können.

Der Verstellring 9 wird vorliegend, wie sich insbesondere aus den 11 und 12 ergibt, von sechs Wälzkörpern 31 getragen. Diese dienen zur radialen Führung des Verstellringes 9.

Die Wälzkörper 31 werden wiederum von einem sogenannten Käfig 30 in Position gehalten, der im Turbinengehäuse 2 frei drehbar ist. Der Käfig 30 weist Bohrungen auf, in denen die Wälzkörper 31 drehbar gelagert sind.

Diese Anordnung funktioniert in befriedigender Weise, solange keine allzu großen Temperaturschwankungen auftreten. Moderne Abgasturbolader sind jedoch extrem starken Temperaturschwankungen ausgesetzt. So erreichen Turbinenteile und benachbarte Teile Temperaturen von bis zu 900°C. Diese Temperaturschwankungen, zusammen mit den extrem hohen Drehzahlen des Turbinenrades und des Kompressorrades, erzeugen extreme Belastungen für alle Komponenten, und führen zu einem hohen Verschleiß bis hin zu einem Funktionsausfall des gesamten Turboladers.

In diesem Zusammenhang ist es wichtig, dass die geometrische Zuordnung aller zusammenwirkenden Teile, wie Schaufellagerring, Verstellring, Wälzkörper, Schaufelzapfen, Aktuatorzapfen etc. soweit konstant gehalten werden kann, dass die Verstellung der Leitschaufeln unter allen Temperatur- und Betriebsbedingungen stets gegeben ist.

Aus der EP 1 357 255 A1 , von der die Erfindung ausgeht, ist ein Abgasturbolader mit einem Leitapparat mit einem Ring verstellbarer Leitschaufeln bekannt. Die Leitschaufeln sind mittels Schaufelzapfen an einem Schaufellagerring schwenkbar gelagert. Die Schaufelzapfen durchsetzen den Schaufellagerring axial. Sie sind einendseitig drehfest mit einer jeweiligen Leitschaufel und andersendseitig drehfest mit einem Schaufelhebel verbunden.

Um den Verschleiß bei großen Temperaturschwankungen bei gleichzeitig einfacher konstruktiver Ausführung gering zu hal ten schlägt die EP 1 357 255 A1 vor, den Verstellring über die Schaufelhebel radial abzustützen. In einer bevorzugten Ausführungsvariante weisen die Schaufelhebel axiale Ansätze auf, die die radiale Lagerfunktion übernehmen. In diesem Falle ist eine Wälzbewegung zwischen dem Verstellring und den radialen Lagerflächen der Ansätze gegeben.

Obwohl sich diese Art der radialen Abstützung des Verstellrings an axialen Ansätzen der Schaufelhebel dem Grund nach bewährt hat, besteht weiterer Verbesserungsbedarf.

Der Erfindung liegt nunmehr die Aufgabe zugrunde, einen Abgasturbolader der Eingangs genannten Art mit zugehörigem Leitapparat zur Verfügung zu stellen, der unter allen Betriebsbedingungen eine zuverlässige Betätigung der Leitschaufeln ermöglicht. Weiterhin soll ein für einen derartigen Leitapparat geeigneter Schaufelhebel bereitgestellt werden.

Gelöst wird diese Aufgabe durch einen Abgasturbolader, der die Merkmale des Patentanspruchs 1 aufweist. Weiterhin wird diese Aufgabe durch einen Leitapparat mit den Merkmalen des Patentanspruchs 5 gelöst. Ein Schaufelhebel für einen Leitapparat eines Abgasturboladers ist Gegenstand des Patentanspruchs 11.

Vorteilhafte Ausführungsvarianten und Weiterbildungen der Erfindung sind durch die Merkmale der Unteransprüche beschrieben.

Abgasturbolader gemäß der Erfindung umfasst demgemäss einen Leitapparat mit einem Ring von Leitschaufeln. Die Leitschaufeln sind mittels Schaufelzapfen an einem Schaufellagerring drehbar gelagert, indem z.B. die Schaufelzapfen den Schaufellagerring axial durchsetzen. Die Schaufelzapfen sind jeweils verdrehfest mit einem Schaufelhebel verbunden. Die Schaufelhebel weisen Schaufelhebeleingriffsmittel auf, welche mit korrespondierenden Verstellringeingriffsmitteln eines gegenüber dem Schaufellagering drehbaren Verstellrings derart in Wirkverbindung stehen, dass bei Verdrehung des Verstellrings in Bezug auf den Schaufellagerring alle Schaufelhebel, und mit ihnen die Leitschaufeln, gleichzeitig verdreht werden.

Die Erfindung basiert zum Einen auf der Idee, den Verstellring in radialer Richtung unmittelbar an den Schaufelhebeln abgestützt zu lagern und damit auf eine separate Lagerung in Form vom Zapfen, Stiften, Rollen, Wälzlagern oder dergleichen vollständig zu verzichten. Die Abstützung und Lagerung des Verstellrings erfolgt dabei an axialen, kreisbogenförmig gekrümmten Ansätzen an mehreren der Schaufelhebel. Am günstigsten ist es selbstverständlich, wenn sämtliche Schaufelhebel einen derartigen axialen Ansatz aufweisen. Die Lagerung und Abstützung durch die Ansätze erfolgt durch zumindest im Bereich der Abstützung kreisförmig gekrümmten Innenrand des Verstellrings an einer entsprechenden Krümmung des jeweiligen axialen Ansatzes der Schaufelhebel.

Hierdurch ergibt sich ein vereinfachter Aufbau des Leitapparates mit Verstellring, der zu einer erhöhten Montage- und Funktionssicherheit im Betrieb führt.

Die Erfindung sieht zum Anderen vor, dass wenigstens eines der Schaufelhebeleingriffsmittel einen in einen Kulissenstein eingreifenden Hebelzapfen aufweist, auf welchem der Kulissenstein vorzugsweise drehbar gelagert ist, und dass das zu diesem wenigstens einen Schaufelhebeleingriffsmittel korrespondierende Verstellringeingriffsmittel eine Ausnehmung aufweist, in wel cher der Kulissenstein verschieblich, nämlich vorzugsweise radial verschieblich, geführt ist.

Als alternative Ausführungsform kommt eine Anordnung in Betracht, bei der wenigstens eines der Verstellringeingriffsmittel einen in einen Kulissenstein eingreifenden Verstellringzapfen aufweist und bei der das zu diesem wenigstens einen Verstellringeingriffsmittel korrespondierende Schaufelhebeleingriffsmittel eine Ausnehmung aufweist, in welcher der Kulissenstein verschieblich geführt ist.

Es versteht sich für den Fachmann von selbst, dass bei ein und demselben Abgasturbolader bzw. Leitapparat ein Teil der korrespondierenden Schaufelhebeleingriffsmittel/Verstellringeingriffsmittel-Paare nach der erstgenannten Variante und ein Teil der korrespondierenden Schaufelhebeleingriffsmittel/Verstellringeingriffsmittel-Paare nach der zuletzt genannten Art gestaltet sein kann, ohne die Funktion des Leitapparats grundsätzlich zu ändern bzw. gar in Frage zu stellen.

Bei dem Schaufelhebeleingriffsmittel/Verstellringeingriffsmittel-Paar nach der erstgenannten Variante weisen die Schaufelhebel vorzugsweise einen nach radial außen gerichteten Hebelarm auf, von welchem der Hebelzapfen axial absteht (und welcher ggf. als Träger des oben beschriebenen axialen Ansatzes dient). Bei dem Schaufelhebeleingriffsmittel/Verstellringeingriffsmittel-Paar nach der zweitgenannten Variante steht der Verstellringzapfen vorzugsweise axial ab. Diese beiden Ausgestaltungen der Erfindung ermöglichen ein von parasitären Kräften weitgehend freies Gleiten der Kulissensteine in den entsprechenden Ausnehmungen.

Im ersten Fall (am Hebelarm axial abstehender Hebelzapfen) erfolgt die axiale Abstützung bzw. Fixierung des Verstellringes zu der einen Seite durch die Schaufelhebel zur Vermeidung eines Flächenkontaktes zum Turbinengehäuse und zur anderen Seite durch das Lagergehäuse. Die seitliche Anlage für (üblicherweise) lose aufgesteckte Kulissensteine bildet in diesem Fall das Lagergehäuse.

Im zweiten Fall (von Verstellring axial abstehender Verstellringzapfen) stützten sich die Kulissensteine vorzugsweise einseitig gegen den Verstellring ab. Um ein Herausfallen der Kulissensteine zu verhindern bedarf es grundsätzlich einer zusätzlichen Fixiereinrichtung.

In einer besonderen Ausführung kann vorgesehen sein, dass die Abstützung des Verstellrings im Fall des Hebelarms mit axial abstehendem Hebelzapfen und auf diesen Hebelzapfen aufgestecktem Kulissenstein nicht bzw. nicht vollständig unmittelbar an dem Lagergehäuse erfolgt sondern mittels wenigstens dreier Scheiben. In diesem Fall ist auf wenigstens drei der Hebelzapfen, vorzugsweise auf allen Hebelzapfen, eine den entsprechenden Kulissenstein einschließende und den Verstellring im Bereich der korrespondierenden Ausnehmung übergreifende Scheibe vorgesehen. Diese Variante ermöglicht es, den gesamten Leitapparat als Kartusche vorzumontieren. Diese Scheiben dienen zusätzlich zur Anlage der Kulissensteine. Bei Verwendung von Scheiben entsprechend der Anzahl der Schaufeln entfällt das Lagergehäuse als Anlagefläche.

In einer besonderen Ausführung kann vorgesehen sein, dass die Anlage und Abstützung des Kulissensteins im Fall des Hebelarms mit axial abstehendem Hebelzapfen (z.B. bei einseitiger Abstützung des Kulissensteins gegen den Hebelarm) und im Fall des Verstellrings mit abstehendem Verstellringzapfen (z.B. bei einseitiger Abstützung des Kulissensteins gegen den Verstellring) andersseitig mittels einer (z.B. bund- oder kopfartigen) Verdickung am Hebelzapfen bzw. am Verstellringzapfen erfolgt, welche darüber hinaus den entsprechenden Kulissenstein verliersicher hält.

Um den gesamten Leitapparat vollständig in Form einer Kartusche vormontieren zu können, hat es sich als günstig erwiesen, einen Stütz-/Lagerring vorzusehen. Die Leitschaufeln sind dabei axial zwischen dem Schaufelllagering und dem Stütz-/Lagerring angeordnet und an diesen drehbar gelagert. Axial zwischen dem Stütz-/Lagerring und dem Schaufelllagerring sind wenigstens drei den Stütz-/Lagerring und den Schaufelllagerring zwangsdistanzierende und zusammen halternde Distanzhalter vorgesehen. Die Distanzhalter sind z.B. mittels Schrauben an dem Stütz-/Lagerring und dem Schaufelllagerring in der vorgesehenen Lage befestigt.

Die Erfindung wird nunmehr Anhand der Zeichnungen näher beschrieben. Gleiche oder funktionsgleiche Bestandteile bzw. Komponenten sind in den Zeichnungen mit identischen Bezugszeichen versehen. Es zeigen:
1: Eine erste Ausführungsvariante eines Abgasturboladers gemäß der Erfindung im Axialschnitt.
2: Den Leitapparat des Abgasturboladers gemäß der 1 in perspektivischer Darstellung.
3: Einen Schaufelhebel für einen Abgasturbolader gemäß der 1 bzw. einen Leitapparat gemäß der 2.
4: Eine weitere Ausführungsvariante eines Leitapparats, welche sich durch geringfügige Modifikation des Leitapparats nach der 2 ergibt.
5: Eine zweite Ausführungsvariante eines Abgasturboladers gemäß der Erfindung im Axialschnitt.
6: Den Leitapparat des Abgasturboladers nach der 5 in perspektivischer Darstellung von der Lagergehäuseseite her betrachtet.
7: Den Leitapparat nach der 6 in perspektivischer Darstellung von der Turbinengehäuseseite her betrachtet.
8: Den Leitapparat nach der 6 bei abgenommenem Verstellring in perspektivischer Darstellung von der Lagergehäuseseite her betrachtet.
9: Einen Abgasturbolader gemäß dem Stand der Technik im Axialschnitt.
10: Den in das Turbinengehäuse eingesetzten Leitapparat des Abgasturboladers nach der 9 in perspektivischer Darstellung von der Lagergehäuseseite her betrachtet.
11: Den in das Turbinengehäuse eingesetzten Leitapparat des Abgasturboladers nach der 9 mit abgenommenem Käfigring in perspektivischer Darstellung von der Lagergehäuseseite her betrachtet.
12: Den Leitapparat des Abgasturboladers nach der 9 bei abgenommenem Käfig in perspektivischer Darstellung von der Lagergehäuseseite her betrachtet.
Der grundsätzliche Aufbau eines ersten Ausführungsbeispiels eines Abgasturboladers gemäß der Erfindung ergibt sich aus der 1.
Der dargestellte Abgasturbolader 1 gemäß der Erfindung weist ein Lagergehäuse 3 und ein Turbinengehäuse 2 umfassendes Gehäuse auf, in welchem eine Welle 4 drehbar gelagert ist. Die Welle 4 trägt an einem Ende ein Turbinenrad 5. Innerhalb des Turbinengehäuses 2 ist auf der Seite des Turbinenrads 5 eine Volute 6 gebildet, die in radialer Richtung in einen Ringkanal 7 übergeht.
Der Abgasturbolader 1 umfasst einen Leitapparat 13, welcher es ermöglicht, die Abgaseinströmung in die Turbine durch Änderung der Turbinengeometrie einzustellen. Zu diesem Zweck sind im Ringkanal 7 verstellbare Leitschaufeln 8 angeordnet. Die Strömungskanäle des ringförmigen, radial von Auspuffgasen durchströmten Ringkanals 7, werden durch die Zwischenräume zwischen Leitschaufeln 8 gebildet. Die Strömungskanäle durch unterschiedliche Winkelstellungen der Leitschaufeln 8 änderbar.
Die Leitschaufeln 8 sind an einem Schaufellagerring 12 und an einem mittels (hier nicht dargestellter) Distanzhalter beabstandeten Stütz- und Lagerring 28 drehbar gelagert und werden über einen (hier nicht dargestellten) Aktuator verstellt, der in hier nicht näher dargestellter Art und Weise auf einen Verstellring 9 einwirkt. Eine Drehbewegung des Verstellrings 9 in Bezug auf den Schaufellagerring 12 wird auf die Leitschaufeln 8 übertragen, die auf diese Weise in einem vorgegebenen Drehbereich zwischen der geöffneten und der geschlossenen Position verstellt werden können.
Wie sich aus den 1 und 2 ergibt, sind die Leitschaufeln 8 an dem Schaufellagerring 12 mittels Schaufelzapfen 18 befestigt, welche den Schaufellagerring 12 axial durchsetzen, und die an ihren den Leitschaufeln 8 gegenüberliegenden Enden jeweils einen Schaufelhebel 11 tragen.
Aus der 3 ergibt sich eine bevorzugte Ausgestaltung eines Schaufelhebels 11. Der dort dargestellte Schaufelhebel 11 weist einen Hebelarm 20 auf, der einendseitig eine Aufnahmebohrung 19 für einen Schaufelzapfen 18 und andersendseitig einen Hebelkopf 21 mit einem im wesentlichen rechtwinklig abstehenden Hebelzapfen 17 aufweist.
Der Verstellring 9, der zur gleichzeitigen Betätigung aller Schaufelhebel 11 dient, ist in der darüber liegenden axialen Ebene der kreisförmig angeordneten Schaufelhebel 11 angeordnet. Die dem Verstellring 9 zugewandte Fläche des Hebelarms 20 dient dabei als Auflage- und axiale Führungsfläche 23 für den Verstellring 9 (vgl. 1).
Um die gleichzeitige Betätigung aller Schaufelhebel 11 zu bewerkstelligen, weist der Verstellring 9 Eingriffsmittel auf, die mit entsprechenden Eingriffsmitteln an jedem der Schaufelhebel 11 derart zusammenwirken, dass bei Verdrehung des Verstellrings 9 in Bezug auf den Schaufellagerring 12 alle Schaufelhebel 11, und mit ihnen die Leitschaufeln 8, gleichzeitig verschwenkt werden. Der Verstellring 9 trägt als Betätigungsmittel einen mit dem Aktuator in Wirkverbindung stehenden Aktuatorzapfen 15, um den Verstellring 9 von außerhalb des Gehäuses steuern zu können (vgl. 2).
Die Eingriffsmittel umfassen im vorliegenden Ausführungsbeispiel entsprechend der Darstellung in der 1 quaderförmige oder würfelförmige Kulissen- oder Gleitsteine 10 mit einer Zentralbohrung 59. In die Zentralbohrung 59 eines jeweiligen Kulissen- oder Gleitsteins 10 ist der Hebelzapfen 17 eines Schaufelhebels 11 gesteckt, so dass eine Seite des Quaders oder Würfels 10 auf der axialen Führungsfläche 23 des Hebelkopfs 21 aufsitzt. Die Kulissen- oder Gleitsteine 10 greifen in entsprechende radial nach außen verlaufende Kulissensteinführungen bildende Ausnehmungen 16 des Verstellrings 9 ein.
Im Ausführungsbeispiel gemäß der 2 überragen die Kulissen- oder Gleitsteine 10 die dem Lagergehäuse 3 zugewandte Seitenfläche des Verstellrings 9 geringfügig in axialer Richtung. Wie sich insbesondere aus der 1 ergibt, erfolgt die axiale Abstützung bzw. Fixierung des Verstellrings 9 zu der einen Seite durch die Schaufelhebel 11, und hierbei insbesondere durch die axiale Führungsfläche 23 des Hebelarms 20, zur Vermeidung eines Flächenkontaktes zum Turbinengehäuse 2 und zur anderen Seite durch das Lagergehäuse 3. Die seitliche Anlagen für die lose aufgesteckten Gleit- oder Kulissensteine 10 bilden die axiale Führungsfläche 23 des Hebelkopfs 21 einerseits und das Lagergehäuse 3 andererseits.
In einer besonders vorteilhaften und in der 4 dargestellten Ausführung eines Leitapparats 13 kann die Abstützung des Verstellrings 9 auch über mindestens drei Scheiben 24 erfolgen, welche zusätzlich zu den lose aufgesteckten Gleit- oder Kulissensteinen 10 auf entsprechende Hebelzapfen 17 dreier (vorzugsweise in gleichen Winkelabständen zueinander angeordneten) Schaufelhebel 11 aufgesteckt sind. Zumindest die drei Gleit- oder Kulissensteine 10 auf deren diese halternde Hebelzapfen 17 die drei (oder mehr) Scheiben 24 aufgesteckt sind, weisen im wesentlichen die gleichen axialen Abmessungen auf wie der Verstellring 9, so dass die entsprechenden Scheiben 24 sowohl formschlüssig auf den entsprechenden Gleit- oder Kulissensteinen 10 als auch auf dem Verstellring 9 unter Berücksichtigung des Axialspieles aufsitzen. Die im vorliegenden Ausführungsbeispiel kreisförmigen Scheiben 24 dienen sowohl als Abstützung des Verstellrings 9 als auch als Anlagefläche für die Gleit- oder Kulissensteine 10. Die komplette in der 4 dargestellte Einheit 13 kann als Kartusche vormontiert werden.
Bei Verwendung von Scheiben 24 entsprechend der Anzahl der Schaufeln 8 entfällt das Lagergehäuse 2 als Anlagefläche.
Bei beiden in den 2 bzw. 4 dargestellten Ausführungsvarianten ist der Verstellring 9 über die Schaufelhebel 11 in radialer Richtung eine Drehbewegungen des Verstellrings 9 gegenüber dem Schaufellagerring 12 ermöglichende Lagerung für den Verstellring 9 bildend abgestützt. Die Schaufelhebel 11 weisen zu diesem Zweck axiale Ansätze 14 auf, die die radiale Lagerfunktion übernehmen. In diesem Fall ist eine Wälzbewegung zwischen dem kreisförmigen Innenumfang des Verstellrings 9 und den als radiale Lagerflächen wirkenden kreisförmigen Konturabschnitten 22 der axialen Ansätze 14 gegeben.
Der Aufbau eines zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Abgasturboladers 1 ergibt sich aus der 5.
Der dargestellte Abgasturbolader 1 gemäß der Erfindung umfasst ein Gehäuse bestehend aus einem Lagergehäuse 3 und einem Turbinengehäuse 2. In dem Lagergehäuse 3 ist eine hier nicht dargestellte Welle drehbar gelagert. Die Welle trägt an einem En de ein Turbinenrad 5. Innerhalb des Turbinengehäuses 2 ist auf der Seite des Turbinenrads 5 eine Volute 6 gebildet, die in radialer Richtung in einen Ringkanal 7 übergeht.
Der Abgasturbolader 1 umfasst einen aus unterschiedlichen Perspektiven in den 6 bis 8 dargestellten Leitapparat 13, welcher es ermöglicht, die Abgaseinströmung in die Turbine durch Variation der Turbinengeometrie einzustellen. Zu diesem Zweck sind wie im vorigen Ausführungsbeispiel im Ringkanal 7 verstellbare Leitschaufeln 8 angeordnet.
Die Leitschaufeln 8 sind an einem Schaufellagerring 12 und an einem Stütz- und Lagerring 28 drehbar gelagert und werden über einen (hier nicht dargestellten) Aktuator verstellt, der in hier nicht näher dargestellter Art und Weise auf einen Verstellring 9 einwirkt. Eine Drehbewegung des Verstellrings 9 in Bezug auf den Schaufellagerring 12 wird auf die Leitschaufeln 8 übertragen, die in der vorstehend beschriebenen Weise in einem vorgegebenen Drehbereich zwischen einer geöffneten und einer geschlossenen Position verstellt werden können.
Die Leitschaufeln 8 sind wie bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen an dem Schaufellagerring 12 mittels Schaufelzapfen 18 befestigt, welche den Schaufellagerring 12 axial durchsetzen, und die an ihren den Leitschaufeln 8 gegenüberliegenden Enden jeweils einen Schaufelhebel 11 tragen. Weiterhin sind die Leitschaufeln 8 an dem Stütz- und Lagerring 28 mittels in entsprechende Lagerbohrungen 49 eingreifende Schaufellagerzapfen 48 gelagert. Der Schaufellagerring 12 und der Stütz- und Lagerring 28 werden mittels mehrerer (vorliegend dreier) Distanzhalter 29 in einem vorgegebenen Abstand zueinander gehalten, welcher ein reibungsarmes Verdrehen der Leitschaufeln 8 ermöglicht. Die Distanzhalter 29 werden von Fixierschrauben 50 gehalten, so dass eine modulare Vormontage des Leitapparats 13 möglich ist.
Aus der 8 ergibt sich eine bevorzugte Ausgestaltung eines Schaufelhebels 11. Der dort dargestellte Schaufelhebel 11 umfasst einen Hebelarm 20, der einendseitig eine Aufnahmebohrung 19 für einen Schaufelzapfen 18 und andersendseitig zwei gabelförmig abstehende und eine Ausnehmung 46 zwischen sich einschließende Führungsarme 47 aufweist.
Der Verstellring 9, der zur gleichzeitigen Betätigung aller Schaufelhebel 11 dient, befindet sich in der darüber liegenden axialen Ebene der ringförmig angeordneten Schaufelhebel 11. Die dem Verstellring 9 zugewandte Fläche des Hebelarms 20 dient dabei als Auflage- und axiale Führungsfläche 23 für den Verstellring 9 (vgl. 5, 6 und 8).
Um die gleichzeitige Betätigung aller Schaufelhebel 11 zu bewerkstelligen, weist der Verstellring 9 Eingriffsmittel auf, die mit entsprechenden Eingriffsmitteln an jedem der Schaufelhebel 11 derart zusammenwirken, dass bei Verdrehung des Verstellrings 9 in Bezug auf den Schaufellagerring 12 alle Schaufelhebel 11, und mit ihnen die Leitschaufeln 8, gleichzeitig verschwenkt werden. Der Verstellring 9 trägt als Betätigungsmittel einen mit dem Aktuator in Wirkverbindung stehenden Aktuatorzapfen 15, um den Verstellring 9 von außerhalb des Gehäuses steuern zu können (vgl. 6).
Die Eingriffsmittel umfassen hier entsprechend der Darstellung in der 7 quader- bzw. würfelförmige Kulissen- oder Gleitsteine 10 mit einer (hier nicht sichtbaren) Zentralbohrung. In die Zentralbohrung eines jeweiligen Kulissen- oder Gleitsteins 10 ist ein axial von dem Verstellring 9 abstehen der in der 6 von der Rückseite sichtbarer Verstellringzapfen 57 gesteckt, so dass eine Seite des Quaders oder Würfels 10 auf der axialen in Richtung der Leitschaufeln 8 weisenden Ringfläche 60 des Verstellrings 9 aufsitzt. Die Kulissen- oder Gleitsteine 10 greifen in die entsprechenden radial nach außen verlaufenden Kulissensteinführungen bildenden Ausnehmungen 46 der Schaufelhebel 11 ein. Die Verstellringzapfen 57 sind im vorliegenden Ausführungsbeispiel mit einem Bund 58 ausgeführt. Der Bund 58 dient als axiale Halterung und Führung der Gleit- oder Kulissensteine 10.
Auch bei dieser Ausführungsvariante ist der Verstellring 9 über die Schaufelhebel 11 in radialer Richtung abgestützt. Diese Abstützung bildet ein Lager, welches Drehbewegungen des Verstellrings 9 gegenüber dem Schaufellagerring 12 ermöglicht. Die Schaufelhebel 11 weisen zu diesem Zweck axiale Ansätze 14 auf, die die radiale Lagerfunktion übernehmen. In diesem Fall ist eine Wälzbewegung zwischen dem kreisförmigen Innenumfang des Verstellrings 9 und den als radiale Lagerflächen wirkenden kreisförmigen Konturabschnitten 22 der axialen Ansätze 14 gegeben.

1: Abgasturbolader
2: Turbinengehäuse
3: Lagergehäuse
4: Welle
5: Turbinenrad
6: Volute
7: Ringkanal
8: Leitschaufel
9: Verstellring
10: Kulissenstein
11: Schaufelhebel
12: Schaufellagerring
13: Leitapparat
14: axialer Ansatz
15: Aktuatorzapfen
16: radial verlaufende Ausnehmung
17: Hebelzapfen
18: Schaufelzapfen
19: Aufnahmebohrung
20: Hebelarm
21: Hebelkopf
22: Konturabschnitt
23: axiale Führungsfläche
24: Scheibe
25: Formschluß
26: Kulissensteinoberfläche
27: Verstellringoberfläche
28: Stütz- und Lagerring
29: Distanzhalter
30: Käfig
31: Wälzkörper
32: Aktuator
33: Verdichterrad
46: Ausnehmung
47: Führungsarm
48: Schaufellagerzapfen
49: Lagerbohrung
50: Fixierschraube
57: Verstellringzapfen
58: Bund (Kopf)
59: Zentralbohrung
60: Ringfläche

Claims

Abgasturbolader (1) aufweisend einen Leitapparat (13) mit einem Ring von Leitschaufeln (8), die mittels Schaufelzapfen (18) an einem Schaufellagerring (12) drehbar gelagert sind, wobei die Schaufelzapfen (18) jeweils verdrehfest mit einem Schaufelhebel (11) verbunden sind, wobei die Schaufelhebel (11) Schaufelhebeleingriffsmittel (17, 10; 46, 47) aufweisen, welche mit Verstellringeingriffsmitteln (16; 10, 57) eines gegenüber dem Schaufellagering (12) drehbaren Verstellrings (9) derart in Wirkverbindung stehen, dass bei Verdrehung des Verstellrings (9) in Bezug auf den Schaufellagerring (12) alle Schaufelhebel (11), und mit ihnen die Leitschaufeln (8), gleichzeitig verdreht werden, wobei der Verstellring (9) an axialen Ansätzen (14) mehrerer der Schaufelhebel (11) radial abgestützt gelagert ist, dadurch gekennzeichnet, dass – wenigstens eines der Schaufelhebeleingriffsmittel einen in einen Kulissenstein (10) eingreifenden Hebelzapfen (17) aufweist und dass das zu diesem wenigstens einen Schaufelhebeleingriffsmittel korrespondierende Verstellringeingriffsmittel eine Ausnehmung (16) aufweist, in welcher der Kulissenstein (10) verschieblich geführt ist und/oder dass – wenigstens eines der Verstellringeingriffsmittel einen in einen Kulissenstein (10) eingreifenden Verstellringzapfen (57) aufweist und dass das zu diesem wenigstens einen Verstellringeingriffsmittel korrespondierende Schaufelhebeleingriffsmittel eine Ausnehmung (46) aufweist, in welcher der Kulissenstein (10) verschieblich geführt ist.
Abgasturbolader (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – die Schaufelhebel (11) einen nach radial außen gerichteten Hebelarm (20) aufweisen, von welchem der Hebelzapfen (17) axial absteht und/oder dass – der Verstellringzapfen (57) axial absteht.
Abgasturbolader (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass – auf wenigstens drei der Hebelzapfen (17), vorzugsweise auf allen Hebelzapfen (17), eine den entsprechenden Kulissenstein (10) einschließende und den Verstellring (9) im Bereich der korrespondierenden Ausnehmung (16) übergreifende Scheibe (24) vorgesehen ist und/oder dass – die Hebelzapfen (17) und/oder die Verstellringzapfen (57) eine Verdickung (58) aufweisen, welcher den entsprechenden Kulissenstein (10) verliersicher hält.
Abgasturbolader (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Stütz-/Lagerring (28) vorgesehen ist, wobei die Leitschaufeln (8) axial zwischen dem Schaufelllagering (12) und dem Stütz-/Lagerring (28) angeordnet und an diesen drehbar gelagert sind und dass axial zwischen dem Stütz-/Lagerring (28) und dem Schaufelllagerring (12) wenigstens drei den Stütz-/Lagerring (28) und den Schaufelllagerring (12) zwangsdistanzierende und zusammen halternde Distanzhalter (29) vorgesehen sind.
Leitapparat (13) für einen Abgasturbolader (1) mit einem Ring von Leitschaufeln (8), die mittels Schaufelzapfen (18) an einem Schaufellagerring (12) drehbar gelagert sind, wobei die Schaufelzapfen (18) jeweils verdrehfest mit einem Schaufelhebel (11) verbunden sind, wobei die Schaufelhebel (11) Schaufelhebeleingriffsmittel (17, 10; 46, 47) aufweisen, welche mit Verstellringeingriffsmitteln (16; 10, 57) eines gegenüber dem Schaufellagering (12) drehbaren Verstellrings (9) derart in Wirkverbindung stehen, dass bei Verdrehung des Verstellrings (9) in Bezug auf den Schaufellagerring (12) alle Schaufelhebel (11), und mit ihnen die Leitschaufeln (8), gleichzeitig verdreht werden, wobei der Verstellring (9) an axialen Ansätzen (14) mehrerer der Schaufelhebel (11) radial abgestützt gelagert ist, dadurch gekennzeichnet, dass – wenigstens eines der Schaufelhebeleingriffsmittel einen in einen Kulissenstein (10) eingreifenden Hebelzapfen (17) aufweist und dass das zu diesem wenigstens einen Schaufelhebeleingriffsmittel korrespondierende Verstellringeingriffsmittel eine Ausnehmung (16) aufweist, in welcher der Kulissenstein (10) verschieblich geführt ist und/oder dass – wenigstens eines der Verstellringeingriffsmittel einen in einen Kulissenstein (10) eingreifenden Verstellringzapfen (57) aufweist und dass das zu diesem wenigstens einen Verstellringeingriffsmittel korrespondierende Schaufelhebeleingriffsmittel eine Ausnehmung (46) aufweist, in welcher der Kulissenstein (10) verschieblich geführt ist.
Leitapparat (13) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass – die Schaufelhebel (11) einen nach radial außen gerichteten Hebelarm (20) aufweisen, von welchem der Hebelzapfen (17) axial absteht und/oder dass – der Verstellringzapfen (57) axial absteht.
Leitapparat (13) nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass – auf wenigstens drei der Hebelzapfen (17), vorzugsweise auf allen Hebelzapfen (17), eine den entsprechenden Kulissenstein (10) einschließende und den Verstellring (9) im Bereich der korrespondierenden Ausnehmung (16) übergreifende Scheibe (24) vorgesehen ist und/oder dass – die Hebelzapfen (17) und/oder die Verstellringzapfen (57) eine Verdickung (58) aufweisen, welcher den entsprechenden Kulissenstein (10) verliersicher hält.
Leitapparat (13) nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Stütz-/Lagerring (28) vorgesehen ist, wobei die Leitschaufeln (8) axial zwischen dem Schaufelllagering (12) und dem Stütz-/Lagerring (28) angeordnet und an diesen drehbar gelagert sind und dass axial zwischen dem Stütz-/Lagerring (28) und dem Schaufelllagerring (12) wenigstens drei den Stütz-/Lagerring (28) und den Schaufelllagerring (12) zwangsdistanzierende und zusammen halternde Distanzhalter (29) vorgesehen sind.
Leitapparat (13) nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Verstellring (9), die Leitschaufeln (8), die Schaufelhebel (11), der Schaufellagerring (12) und die Kulissen steine (10) eine eigenständige, vormontierbare Baugruppe bilden.
Leitapparat (13) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein Stütz-/Lagerring (28) für die Leitschaufeln (8) vorgesehen ist, welcher Bestandteil der eigenständigen, vormontierbaren Baugruppe ist.
Schaufelhebel (11) für einen Leitapparat, insbesondere für einen Leitapparat (13) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – ein Hebelarm (20) mit einem einendseitig, vorzugsweise axial, abstehenden Hebelzapfen (17) zur Aufnahme eines Kulissensteins (10) vorgesehen ist oder dass – ein Hebelarm (20) vorgesehen ist, welcher einendseitig eine Ausnehmung (46) zur Aufnahme eines Kulissensteins (10) aufweist.
Schaufelhebel (11) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Hebelarm (20) eine radiale Stützfläche (22) angebracht oder angeformt ist.
Schaufelhebel (11) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die radiale Stützfläche (22) ein kreisbogensegmentförmiger Konturabschnitt des Hebelarms (20) ist.
Schaufelhebel (11) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die radiale Stützfläche (22) als axialer Ansatz ausgebildet ist, welcher in radialer Richtung einen kreisbogensegmentförmigen Konturabschnitt aufweist.
Schaufelhebel (11) nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass eine axiale Führungsfläche (23) für einen Verstellring (9) des Leitapparats (13) vorgesehen ist.
Schaufelhebel (11) nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die axiale Führungsfläche (23) für den Verstellring (9) des Leitapparats (13) am Hebelarm (20) vorgesehen ist.
Schaufelhebel (11) nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die axiale Führungsfläche (23) in radialer Verlängerung der radialen Stützfläche (22) an dem Hebelarm (20) angeordnet ist.