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Heißgasturbolader Die Erfindung betrifft einen Heißgasturbolader,
bei dem die als Radialräder ausgebildeten Laufräder des Gebläses und der Turbine
beiderseits eines luftgekühlten, geschlossen ausgebildeten Lagerkörpers auf einer
waagerechten Welle fliegend angeordnet sind und auf den dem Lagerkörper abgewendeten
Seiten axial Luft ansaugen bzw. Heißgas auslassen, wobei der Lagerkörper nur an
dem Gebläsegehäuse befestigt ist, während Gebläse- und Turbinengehäuse durch einen
den Lagerkörper mit Abstand umgebenden Mantel verbunden sind. Derartige Maschinen,
die vorzugsweise als Gasturbinen oder als Abgasturbolader verwendet werden, sind
aus dem Bedürfnis entstanden, bei verhältnismäßig kleinen Abmessungen hohe Leistungen
zu erzielen. Besonders bei Abgasturboladern ist der enge Zusammenbau erforderlich;
da diese Maschinen zur guten Ausnutzung der Energie möglichst nahe an einer Brennkraftmaschine
angebracht werden müssen.
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Zur Verbesserung des thermischen Wirkungsgrades ist man bestrebt,
die Temperatur an der Turbine möglichst hoch zu legen. Bei dem engen Zusammenbau
der verschiedenen Maschinenteile, wie Turbine, Gebläse und dem dazwischenliegenden
Lagerkörper, sind dann aber besondere Maßnahmen zum Schutz der Lagerung gegen die
hohe Temperatur erforderlich.
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Es ist bekannt, den Lagerkörper mit einem Kühlmantel zu umgeben, durch
den zwangsweise ein Kühlmittel hindurchgeführt wird. Als Kühlmittel können Wasser
oder Luft benutzt werden, wobei die Kühlluft entweder dem Gebläse entnommen wird,
wodurch sich dessen Wirkungsgrad verschlechtert, oder durch zusätzliche, von der
Turbine angetriebene Fördermittel getrieben wird, wodurch sich die nutzbare Leistung
der Turbine verringert, oder schließlich dem Fahrwind eines Fahrzeuges entstammt,
wodurch die tatsächliche Leistung der das Fahrzeug treibenden Maschine herabgeht.
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Ein Heißgasturbolader der oben angegebenen Bauart ist nun gemäß der
Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß in an sich bekannter Weise der Mantel etwa
die Baulänge des Lagerkörpers hat und daß der Mantel mit Öffnungen versehen ist,
die eine freie Strömung der Umgebungsluft durch den Mantelraum zulassen, welche
Wärme aus dem Lagerkörper allein durch Konvektion abführt.
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Bei diesem Heißgasturbolader liegen die Laufräder beiderseits des
Lagerkörpers, und die Erfindung befaßt sich mit der Aufgabe, bei dieser an sich
gedrängten Bauart ohne Verbrauch zusätzlicher Energie eine gute und sogar belastungsabhängige
Kühlung zu schaffen. Die einseitige Befestigung des Lagerkörpers an dem Gebläsegehäuse
verhindert ein Einströmen merklicher Wärme auf dem Wege über den Anschluß des Lagerkörpers.
Da weiterhin die Verbindung zwischen dem Gebläsegehäuse und dem Turbinengehäuse
nicht über den Lagerkörper, sondern über einen diesen Körper mit Abstand umgebenden,
an sich bekannten Mantel erfolgt, kann die durch die mechanischen Verbindungen vom
Turbinengehäuse abfließende Wärme nur bis zum Gebiäsegehäuse gelangen, von wo sie
abgeführt wird.
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Damit ist also zunächst durch an sich bekannte Mittel die Wärmezufuhr
in Richtung auf den Lagerkörper herabgesetzt.
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Weiterhin werden Turbinen und Gebläse benutzt, die in bekannter Weise
radial arbeiten. Auf diese Weise erreicht man einen verhältnismäßig großen freien
Abstand zwischen den inneren Begrenzungswänden des Turbinen- und Gebläsegehäuses,
was weniger wegen einer Herabsetzung der Wärmestrahlung als vielmehr wegen einer
möglichst freien und ungehinderten Luftzirkulation zweckmäßig ist. Bei Axialturbinen
bzw. -gebläsen muß immer der Raum auf beiden Seiten der Beschaufelung zur Zuführung
bzw. Abführung der Gase benutzt werden, wodurch zwangläufig der freie Abstand zwischen
den beiden Gehäusen erheblich herabgesetzt wird.
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Ferner erhalten der Mantel und der Lagerkörper in an sich bekannter
Weise etwa dieselbe Länge. Auch diese Maßnahme dient der Ermöglichung einer freien
Luftzirkulation.
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Diese Luftzirkulation durchsetzt im Mantel vorgesehene Öffnungen und
ist eine freie Strömung der Umgebungsluft durch den Mantel, welche Wärme
aus
dem Lagerkörper allein durch Konvektion abführt, d. h., er bedient sich möglichst
vollständig und ausschließlich derjenigen Energien, die bis zum Lagerkörper gelangt
sind und dort Störungen hervorrufen können. Er bedient sich also der zu vernichtenden
Energien und nicht etwa der Energien, die an sich im Gebläse nutzbar verwertet werden
sollen. Auf diese Weise wird ein Kühlluftstrom erzeugt, ohne daß dem Lader oder
einer Kraftmaschine Leistung entzogen wird, so daß der Wirkungsgrad der Gesamtanlage
gegenüber den bekannten Anlagen verbessert wird.
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Zusätzlich ist die Kühlung in besonderer Weise den Bedürfnissen angepaßt.
Läuft die Maschine bei niedriger Außentemperatur an, so sollen sich das Lager und
das Lageröl zunächst erwärmen. Die übliche Zwangskühlung verhindert dies, wogegen
die erfindungsgemäße Konvektionskühlung erst einsetzt, wenn die Lager sich ausreichend
erwärmt haben. Andererseits hört die Wirkung einer Zwangskühlung sofort auf, wenn
die Maschine nach Vollast stillgesetzt wird, so daß dann die Wärme des Turbinengehäuses
über die Welle oder über andere Verbindungswege zum Lagerkörper hinüberkriechen
und diesen unzulässig aufheizen wird. Die erfindungsgemäße Konvektionskühlung wirkt
aber auch nach Stillegung der Maschine weiter, so daß die Lager zuverlässig geschützt
werden.
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Weiterhin ist zu beachten, daß die Erfindung nur eine besondere Bauart
der an sich vorhandenen Verbindung zwischen Turbinengehäuse und Gebläsegehäuse erfordert.
Sie bedingt also kein zusätzliches Gewicht, sondern setzt das Gesamtgewicht der
Maschine durch den Fortfall zusätzlicher Kühlräume, Kühlmäntel, Kühlmittelantriebsmittel
sowie durch die Ermöglichung einer besonders gedrängten Bauart herab. Diese gedrängte
Bauart ist besonders bei Lastkraftwagenmotoren wichtig, da unter der Motorhaube
nur wenig Raum ist und man den Lader dicht an den Motor rücken muß. Außerdem ermöglicht
es der geringe Raumbedarf, den Lader an die richtige Stelle des Motors zu setzen,
die funktionsmäßig durch die Führung der-Abgasleitungen und der Luftzutrittsleitungen
bedingt ist.
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Die konstruktive Trennung des Turbinengehäuses vom Lagerkörper ermöglicht
es, die z. B. für Nutzfahrzeuge vorgeschriebene Auspuffbremse, die üblicherweise
vor der Turbine liegt, hinter diese zu verlegen. Der bei Betätigung der Auspuffbremse
im Turbinengehäuse aufgestaute höhere Gasdruck kann sich bei der erfindungsgemäßen
Bauart weder auf die Lager auswirken, noch Treibgase in das Gebläse drücken. Andererseits
ergibt sich durch die Anordnung der Auspuffbremse hinter der Turbine eine günstigere
Bremswirkung und infolge des durch das Turbinengehäuse vergrößerten Volumens eine
Schonung der Ventile des Motors, da die rückläufigen Druckwellen bei geschlossener
Auspuffklappe weniger steil reflektiert werden.
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Durch die Verwendung eines turbinenseitigen Strahlungsschutzes kann
der Wärmeübergang auf den Lagerkörper weiterhin herabgesetzt werden.
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Es ist vorteilhaft, wenn der Lagerkörper sich von der Gebläseseite
in - Richtung auf das Turbinengehäuse kegelförmig verjüngt und Kühlrippen aufweist.
Auch diese Maßnahmen verringern die Wärmeaufnahme und erhöhen die Kühlwirkung. Außerdem
erhöhen sie die Steifheit der Anordnung. In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel
für den Gegenstand der Erfindung schematisch im axialen Schnitt dargestellt.
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Die- Welle 1 trägt links das fliegend angeordnete Turbinenlaufrad
2 und rechts das Gebläselaufrad 3. Beide Räder arbeiten radial. Die Welle ruht in
den beiden Lagern 4 und 5, die im Lagerkörper 6 gehalten sind. Der Lagerkörper 6
ist nur mit dem Gebläsegehäuse 7 durch eine Flanschverbindung direkt verbunden.
Das Turbinengehäuse 8 hat dagegen mit dem Lagerkörper 6 keine Verbindung, sondern
ist mit dem Gebläsegehäuse 7 durch den Mantel 9 verbunden, der den Lagerkörper 6
frei umschließt. Dieser Mantel 9 hat unten und oben Öffnungen 10 für
den Durchtritt der Umgebungsluft, so daß der Lagerkörper 6 durch Konvektionsströmung
gekühlt wird. Durch diese Öffnungen 10 erhält der Mantel 9 etwa Laternenform.
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Das Turbinengehäuse 8 ist an der Welle 1 durch eine Spitzendichtung
11 abgedichtet, wogegen das Gebläsegehäuse 7 durch eine entsprechende Dichtung 12
an der Welle 1 abgedichtet ist. Um auch den Übergang von Strahlungswärme vom Turbinengehäuse
8 auf den Lagerkörper 6 möglichst zu verhindern, ist ein Strahlenschutzblech 13
am Turbinengehäuse angebracht. Der Mantel 9, der das Turbinengehäuse mit dem Gebläsegehäuse
verbindet, kann auch etwa ganz kreiszylindrisch oder kegelig ausgebildet sein und
auf der ganzen Umfangsfläche mit entsprechenden, regelmäßig verteilten Luftdurchtrittsöffnungen
versehen sein. Es können aber auch, um eine besonders intensive Umströmung des Lagerkörpers
zu erreichen,_ an Stelle des kreiszylindrischen Mantels lediglich einzelne Stege
die beiden Flansche am Turbinengehäuse und Gebläsegehäuse verbinden. Besonders zweckmäßig
ist es in diem Falle, die Stege als Leitbleche zur Führung der den Lagerkörper umströmenden
Kühlluft in der gewollten Richtung auszubilden.
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Zur Unterstützung der Wirkung der Kühlluft wird vorteilhaft der Lagerkörper
6 mit Kühlrippen 14 versehen, wie sie in der Abbildung als Ergänzung strichpunktiert
dargestellt sind.
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Durch die Erfindung wird somit erreicht, daß der Wärmeübergang von
dem heißen Turbinengehäuse an den Lagerkörper und damit an die Lagerung weitgehend
unterbunden wird und gleichzeitig dieser Lagerkörper gekühlt wird. Da keine Verbindung
zwischen dem Turbinengehäuse und dem Lagerkörper besteht, kann dort keine Wärme
durch Leitung übertragen werden. Eine Wärmeübertragung durch Leitung kann vom Turbinen-
nur an das Gebläsegehäuse erfolgen, und zwar an den Teil des Gebläsegehäuses, von
dem aus die Wärme an die verdichtete Luft übergeht, so daß diese Wärmeenergie nicht
verloren ist, sondern dem Kreislauf wieder zugeführt wird. Durch die Ausbildung
des Verbindungsstückes als durchbrochener Mantel mit möglichst geringem Querschnitt
wird diese Wärmemenge jedoch möglichst gering gehalten. Die Erfindung ermöglicht
eine intensive Kühlung des Lagerkörpers durch die infolge der Konvektion diesen
umströmende Umgebungsluft.