DE102009009129B4

DE102009009129B4 - Turbolader mit variabler Turbinengeometrie

Info

Publication number: DE102009009129B4
Application number: DE102009009129.7A
Authority: DE
Inventors: Andreas Wengert; Timo Tries; Dr. Stein Matthias
Original assignee: BMTS Technology GmbH and Co KG
Current assignee: BMTS Technology GmbH and Co KG
Priority date: 2009-02-17
Filing date: 2009-02-17
Publication date: 2022-11-03
Anticipated expiration: 2029-02-18
Also published as: DE102009009129A1

Abstract

Turbolader, bei dem innerhalb eines Turbinengehäuses (4) angeordnete, ein Turbinenrad (3) ringförmig umfassende Radialspalt (6), zur Zuführung von Ab- bzw. Treibgasen zum Turbinenrad (3) über Leitschaufeln (12) vorgesehen sind, die an einem zur Turbinenradachse zentrischen Trägerring (8) angeordnet sind, welcher im Wesentlichen eine Radialwand des Radialspaltes (6) bildet und von einer eine innere Ringzone am Trägerring (8) axial beaufschlagenden ringförmigen Tellerfeder (10) axial in Richtung des Turbinenrades (3) gegen zumindest einen Anschlag am oder im Turbinengehäuse (4) gespannt wird, wobei die Leitschaufeln (12) vorzugsweise für eine variable Turbinengeometrie um zur Turbinenachse im Wesentlichen parallele Achsen (13) schwenkbar sind,dadurch gekennzeichnet,dass der Trägerring (8) einen, einer zugewandten Stirnseite des Turbinenrades (3) radial unter Bildung eines als Drosselspalt ausgebildeten radialen Spaltes (18), überlappenden Ringflansch (17) aufweist,dass der Trägerring (8) radial innerhalb seiner von der Tellerfeder (10) beaufschlagten Ringzone den Ringflansch (17) besitzt, der der zugewandten Stirnseite des Turbinenrades (3) derart benachbart ist, dass der Drosselspalt (18) gebildet wird, der den axial zwischen dem Turbinenrad (3) und einer Wellendichtung (19) der Rotorwelle (1) verbleibenden Abstandsraum gegenüber den von Ab- bzw. Treibgasen durchsetzten Teilen des Turbinengehäuses abtrennt.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Turbolader bei dem innerhalb eines im Turbinengehäuse angeordneten, ein Turbinenrad ringförmig umfassenden Radialspalt zur Zuführung von Ab- bzw. Treibgasen zum Turbinenrad über Leitschaufeln vorgesehen sind, die an einem zur Turbinenradachse zentrischen Trägerring angeordnet sind, welcher im Wesentlichen eine Radialwand des Radialspaltes bildet und von einer eine innere Umfangszone am Trägerring axial beaufschlagenden ringförmigen Tellerfeder axial in Richtung des Turbinenrades gegen zumindest einen Anschlag am oder im Turbinengehäuse gespannt wird, wobei die Leitschaufeln vorzugsweise für eine variable Turbinengeometrie um zur Turbinenradachse im Wesentlichen parallele Achsen schwenkbar sind.
Ein derartiger Turbolader ist Gegenstand der US 2008/0075582 A1 . Durch den Trägerring wird ein zur Aufnahme von Steuerelementen der Leitschaufeln dienender Ringraum, welcher zwischen dem Turbinengehäuse und einem axial anschließenden Lagergehäuse vorgesehen ist, gegenüber den zum Turbinenrad strömenden Ab- bzw. Treibgasen abgetrennt. Dabei wird dieser Ringraum am Umfang des Trägerringes durch die dort angeordnete Tellerfeder gasdicht abgeschlossen. Am Außenumfang des Trägerringes wird dessen ab- bzw. treibgasseitige Stirnseite radial von einem im Zustrombereich der Ab- bzw. Treibgase liegenden Ringflansch des Turbinengehäuses radial überlappt, wobei der Trägerring durch die vorgenannte Tellerfeder axial gegen diesen Ringflansch gespannt wird, der dementsprechend die Sollposition des Trägerringes vorgibt.
Bei diesem bekannten Turbolader hat die Tellerfeder eine Mehrfachfunktion, einerseits dient dazu, den Trägerring in die Sollposition zu spannen, andererseits dient die Tellerfeder als Hitzeschild des axial an das Turbinengehäuse anschließenden Lagergehäuses, welches das stationäre Widerlager der Tellerfeder bildet.
Aus der WO 2006/015559 A1 ist ein weiterer Turbolader mit variabler Turbinengeometrie bekannt. Hier ist der Trägerring der Leitschaufeln kraft- und formschlüssig axial zwischen dem Turbinengehäuse und dem Lagergehäuse angeordnet und bildet gleichzeitig einen Hitzeschild für das Lagergehäuse, indem sich der Trägerring radial bis an den Umfang einer das Turbinenrad tragenden Rotorwelle erstreckt, die trägerringseitige Stirnseite des Turbinenrades wird also radial vollständig vom Trägerring bzw. Teilen des Trägerringes überlappt.
Die Abdichtung des die Steuerelemente für die Leitschaufeln aufnehmenden Ringraumes auf der vom Turbinengehäuse abgewandten Stirnseite des Trägerringes wird durch axiale Verspannung des Trägerrings am Lagergehäuse gewährleistet.
Der aus der WO 2006/015559 A1 bekannte Turbolader bedingt einen vergleichsweise großen Herstellungsaufwand, weil der Trägerring bei seiner Montage zwischen dem Lager- und dem Turbinengehäuse genauestens justiert werden muss. Außerdem ist nachteilig, dass durch den Kraftschluss zwischen Trägerring und Lagergehäuse mit einem hohen Wärmestrom vom Trägerring zum Lagergehäuse gerechnet werden muss, denn beim Betrieb des Turboladers wird der Trägerring thermisch extrem belastet. Dementsprechend kann der Trägerring die wünschenswerte Funktion eines Hitzeschildes für das Lagergehäuse nur eingeschränkt übernehmen.
Auch der Turbolader der US 2008/0075582 A1 ist konstruktiv noch nicht zufriedenstellend, weil für die als Hitzeschild genutzte Tellerfeder vergleichsweise exotische Materialien eingesetzt werden müssen.
Weiterhin offenbart EP 1 536 103 A1 einen Turbolader mit einem innerhalb des Turbinengehäuses vorgesehenen Turbinenrotor. Die Zufuhr von Ab- bzw. Treibgasen ist durch einen Schaufellagerraum gewährleistet. In diesem sind an einem zu einer Turbinenradachse zentrisch ausgerichtetem Schaufellagerring Leitschaufeln angeordnet, wobei der Schaufellagerring eine Radialwand des Schaufellagerraums bildet. Zusätzlich wird der Schaufellagerring an seiner radial inneren Ringzone axial durch eine Tellerfeder in Richtung des Turbinenrotors gegen zumindest einen Anschlag am Turbinengehäuse beaufschlagt. Die Leitschaufeln sind dabei im Sinne einer variablen Turbinengeometrie verschwenkbar. Eine Dichtfunktion des Schaufellagerrings gegenüber dem Gehäuse wird an der radial außen liegenden Lagerung des Schaufellagerrings realisiert.
Dokument DE 10 2004 038 748 A1 zeigt einen gattungsgemäßen Turbolader, wobei in einer Ausführungsform ein Hitzeschild am radial innen liegenden Umfang einteilig mit dem Trägerring ausgeführt ist. In dieser Ausführungsform ist jedoch die Vorspannung nicht durch eine Tellerfeder realisiert. In einer weiteren Ausführungsform wird eine Tellerfeder zur Vorspannung verwendet, wobei der Hitzeschild als separates Bauteil vorgesehen ist.
Weitere bekannte Turbolader sind in den Dokumenten DE 10 2004 057 864 A1 , DE 20 2005 009 491 U1 sowie in EP 1 895 106 A1 gezeigt.
Deshalb ist es Aufgabe der Erfindung, einen Turbolader zu schaffen, der sich einerseits durch hohe thermische Belastbarkeit und andererseits durch vergleichsweise geringen Herstellungsaufwand auszeichnet.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Trägerring einen, einer zugewandten Stirnseite des Turbinenrades radial unter Bildung eines Drosselspaltes ausgebildeten radialen Spalts im Wesentlichen vollständig überlappende ab- bzw. treibgasseitige Stirnfläche in Form eines Ringflansches aufweist. Der Ringflansch ist dabei radial innerhalb des Trägerrings angeordnet und wird von der Tellerfeder in der Ringzone beaufschlagt. Der Drosselspalt wird durch das Turbinenrad sowie durch die dem Turbinenrad zugewandte Stirnseite des Trägerrings gebildet. Infolgedessen ist der axial zwischen dem Turbinenrad und einer Wellendichtung der Rotorwelle verbleibende Abstandsraum gegenüber den von Ab- bzw. Treibgasen durchsetzten Teilen des Turbinengehäuses abgetrennt.
Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, den Trägerring in grundsätzlich bekannter Weise mittels einer ringförmigen Tellerfeder in seine Solllage zu spannen, wobei jedoch die Tellerfeder, die zusätzlich die Funktion einer Dichtung zwischen Trägerring und Lagergehäuse übernehmen kann, aufgrund einer besonderen Ausformung des Trägerringes gegen eine direkte Beaufschlagung durch den das Turbinenrad treibenden Ab- bzw. Treibgasstrom geschützt wird.
Auf diese Weise kann für die Tellerfeder auch bei deren Herstellung aus preiswerten Federmaterialien eine hohe Lebensdauer gewährleistet werden.
Da der Trägerring durch die Tellerfeder axial in seine Solllage gespannt wird, kann er den durch thermische Belastung der angrenzenden Bauteile verursachten Wärmedehnungen dieser Bauteile ohne weiteres folgen, ohne dass an oder in den Bauteilen übermäßige Verspannungen auftreten können.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann vorgesehen sein, dass auf der dem Trägerring gegenüberliegenden Seite des Radialspaltes eine die Innenseite des Turbinengehäuses überdeckende ringscheibenförmige Deckscheibe mit daran angeordneten Distanzkörpern vorgesehen ist, gegen die der Trägerring mittels der Tellerfeder gespannt ist, wobei gleichzeitig die Deckscheibe gegen die Innenseite des Turbinengehäuses gespannt wird.
Hier ist besonders vorteilhaft, dass die den Radialspalt begrenzenden Teile ein segmentiertes Ensemble bilden, welches Relativbewegungen seiner Teile zulässt, so dass auch bei extremer thermischer Beanspruchung keine Verspannungen auftreten können.
Alternativ können die Distanzelemente auch am Trägerring angeordnet sein und mit der Deckscheibe anschlagartig zusammenwirken.
Im Übrigen wird hinsichtlich bevorzugter Merkmale der Erfindung auf die Ansprüche und die nachfolgende Erläuterung der Zeichnung verwiesen, anhand der eine besonders bevorzugte Ausführungsform näher beschrieben wird.
Schutz wird nicht nur für angegebene oder dargestellte Merkmalskombinationen, sondern auch für prinzipiell beliebige Kombinationen der angegebenen oder dargestellten Einzelmerkmale beansprucht.
In der Zeichnung zeigt die einzige Figur einen axialen Halbschnitt eines erfindungsgemäßen Turboladers im Bereich des Turbinengehäuses.
In grundsätzlich bekannter Weise besitzt der Turbolader eine Rotorwelle 1, die in einem Lagergehäuse 2 drehgelagert und an ihrem einen axialen Ende mit einem nicht dargestellten Verdichterrad und am anderen axialen Ende mit einem Turbinenrad 3 drehfest verbunden ist. Das Turbinenrad 3 arbeitet in einem Turbinengehäuse 4, welches über einen das Turbinenrad 3 ringförmig umfassenden Spiralraum 5 Treib- bzw. Abgase aufnimmt, die dann über einen das Turbinenrad 3 ringförmig umfassenden Radialspalt 6 zum Turbinenrad 3 strömen, welches dadurch in Drehung versetzt wird, und sodann über einen Auslass 7 des Turbinengehäuses 4 abströmen.
Der Radialspalt 6 wird lagergehäuseseitig durch einen Trägerring 8 und turbinengehäuseseitig durch eine ringförmige Deckscheibe 9 begrenzt.
Der Trägerring 8 wird mittels einer an der zugewandten Stirnseite des Lagergehäuses 2 abgestützten ringförmigen Tellerfeder 10 gegen Distanzkörper 11 an der Deckscheibe 9 angeschoben, so dass die axiale Breite des Radialspaltes 6 durch die Distanzkörper 11 bestimmt und die Deckscheibe 9 gegen Widerlager im Turbinengehäuse 4 angeschoben wird. Im Radialspalt 6 sind verstellbare Leitschaufeln 12 angeordnet, die mit drehfest verbundenen Achsen 13 schwenkbar im Trägerring 8 gelagert sind. Diese Leitschaufeln 12 lassen sich zwischen einer Stellung, in der die Leitschaufelebene im Wesentlichen oder annähernd radial zur Achse der Rotorwelle 1 erstreckt ist, und einer Lage, in der die Leitschaufelebene im Wesentlichen tangential zu einem die Achsen 13 durchsetzenden und zur Achse der Rotorwelle 1 zentrischen Kreis liegt, verstellen. Damit können die Leitschaufeln 8 der Stromstärke der das Turbinenrad 3 treibenden Ab- bzw. Treibgase angepasst werden. Bei zunehmender Stromstärke der Ab- bzw. Treibgase werden die Leitschaufeln 12 zunehmend in Richtung ihrer zur Achse der Rotorwelle 1 radialen Lage verstellt.
Zu ihrer Verstellung sind die Leitschaufeln 12 über die Achsen 13 drehfest mit Stellhebeln 14 verbunden, deren freie Enden mit einem zur Achse der Rotorwelle 1 zentrisch angeordneten Stellring 15 gekoppelt sind, derart, dass die Stellhebel 14 und damit die Leitschaufeln 12 einen Schwenkhub ausführen, wenn der Stellring 15 einen Drehhub um die Achse der Rotorwelle 1 ausführt. Die Stellhebel 14, der Stellring 15 sowie damit zusammenwirkende Stellorgane sind in einem Ringraum 16 untergebracht, der axial zwischen den einander zugewandten Stirnseiten des Lagergehäuses 2 und des Trägerringes 8 vorgesehen ist und gegenüber dem von den Ab- bzw. Treibgasen durchsetzten Radialspalt 6 durch die Tellerfeder 10 abgedichtet ist, die somit auch eine Dichtfunktion übernimmt.
Der Trägerring 8 besitzt radial innerhalb seiner von der Tellerfeder 10 beaufschlagten Ringzone einen Ringflansch 17, der der zugewandten Stirnseite des Turbinenrades 3 eng benachbart ist, so dass ein Drosselspalt 18 gebildet wird, der den axial zwischen dem Turbinenrad 3 und einer Wellendichtung 19 der Rotorwelle 1 verbleibenden Abstandsraum gegenüber den von Ab- bzw. Treibgasen durchsetzten Teilen des Turbinengehäuses 4 abtrennt. Dadurch wird der Vorteil gewährleistet, dass einerseits die Tellerfeder 10 und andererseits der Verbindungsbereich zwischen Turbinenrad 3 und Rotorwelle 1 gegenüber einer unmittelbaren Beaufschlagung durch strömende Ab- bzw. Treibgase abgeschirmt werden und somit thermisch weniger stark belastet sind.
Die Erfindung ist nicht auf die zeichnerisch dargestellten Turbolader mit variabler Turbinengeometrie, die durch schwenkbare Leitschaufeln erreicht wird, beschränkt.
Vielmehr bezieht sich die Erfindung auch auf Turbolader mit am Trägerring fixierten Leitschaufeln, d. h. mit invariabler Turbinengeometrie.

Claims

Turbolader, bei dem innerhalb eines Turbinengehäuses (4) angeordnete, ein Turbinenrad (3) ringförmig umfassende Radialspalt (6), zur Zuführung von Ab- bzw. Treibgasen zum Turbinenrad (3) über Leitschaufeln (12) vorgesehen sind, die an einem zur Turbinenradachse zentrischen Trägerring (8) angeordnet sind, welcher im Wesentlichen eine Radialwand des Radialspaltes (6) bildet und von einer eine innere Ringzone am Trägerring (8) axial beaufschlagenden ringförmigen Tellerfeder (10) axial in Richtung des Turbinenrades (3) gegen zumindest einen Anschlag am oder im Turbinengehäuse (4) gespannt wird, wobei die Leitschaufeln (12) vorzugsweise für eine variable Turbinengeometrie um zur Turbinenachse im Wesentlichen parallele Achsen (13) schwenkbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Trägerring (8) einen, einer zugewandten Stirnseite des Turbinenrades (3) radial unter Bildung eines als Drosselspalt ausgebildeten radialen Spaltes (18), überlappenden Ringflansch (17) aufweist, dass der Trägerring (8) radial innerhalb seiner von der Tellerfeder (10) beaufschlagten Ringzone den Ringflansch (17) besitzt, der der zugewandten Stirnseite des Turbinenrades (3) derart benachbart ist, dass der Drosselspalt (18) gebildet wird, der den axial zwischen dem Turbinenrad (3) und einer Wellendichtung (19) der Rotorwelle (1) verbleibenden Abstandsraum gegenüber den von Ab- bzw. Treibgasen durchsetzten Teilen des Turbinengehäuses abtrennt.
Turbolader nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die dem Trägerring (8) gegenüberliegende Radialwand des Radialspaltes (6) als ringscheibenförmige Deckscheibe (9) mit daran angeordneten Distanzkörpern (11) ausgebildet ist, gegen die der Trägerring (8) von der Tellerfeder (10) gespannt wird.
Turbolader nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Trägerring (8) mit an ihm angeordneten Distanzkörpern (11) gegen die gegenüberliegende Radialwand des Radialspaltes (6) gespannt wird.
Turbolader nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckscheibe (9) gegen mindestens eine Anschlagfläche im Turbinengehäuse (4) gespannt wird.