DE112008002729T5

DE112008002729T5 - Turbomaschine

Info

Publication number: DE112008002729T5
Application number: DE112008002729T
Authority: DE
Inventors: David Gee; Chris Enright; Robert Holroyd
Original assignee: Cummins Turbo Technologies Ltd
Current assignee: Cummins Turbo Technologies Ltd
Priority date: 2007-10-13
Filing date: 2008-10-10
Publication date: 2010-08-26
Anticipated expiration: 2028-10-11
Also published as: GB0720478D0; US20100196148A1; US20130094938A1; CN101821481A; CN101821481B; DE112008002729B4; US8328509B2; US8727715B2; WO2009047538A1

Abstract

Turbomaschine mit:
einem Gehäuse, das einen Lagerhohlraum und eine Turbinenkammer definiert, die durch eine erste Wand getrennt sind;
einem Turbinenrad, das an einer Welle für eine Drehung innerhalb der Turbinenkammer um eine Maschinenachse angebracht ist;
einem Hitzeschild, das zwischen der ersten Wand und dem Turbinenrand angeordnet ist, wobei ein Hitzeschildhohlraum zwischen der ersten Wand und dem Hitzeschild definiert ist;
der Welle, die sich von der Turbinenkammer in den Lagerhohlraum durch einen Kanal erstreckt, der zumindest teilweise durch eine erste Öffnung in der Wand und eine zweite Öffnung in dem Hitzeschild definiert ist, wobei die Welle für eine Drehung an einer Lagerbaugruppe angebracht ist, die in dem Lagerhohlraum vorgesehen ist;
einer ersten Dichtung zwischen der Welle und der ersten Öffnung ;
dem Gehäuse, das den ersten Gaskanal definiert, der mit dem Hitzeschildhohlraum für eine Verbindung mit einer Druckquelle zum Anheben des Drucks innerhalb des Hitzeschildhohlraums...

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Turbomaschine wie zum Beispiel eine Leistungsturbine oder ein Turbolader für eine Brennkraftmaschine. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf die Reduzierung eines Öllecks aus einem Turbomaschinenlagergehäuse in ein Turbinengehäuse oder einen Hohlraum hinter einem Hitzeschild.
Turbolader sind allgemein bekannte Vorrichtungen zum Zuführen von Luft zu dem Einlass einer Brennkraftmaschine bei Drücken über Atmosphärendruck (Ladedrücke). Ein herkömmlicher Turbolader hat im Wesentlichen ein mit Abgas angetriebenes Turbinenrad, das an einer drehbaren Welle innerhalb eines Turbinengehäuses angebracht ist. Eine Drehung des Turbinenrads dreht ein Verdichterrad, das an dem anderen Ende der Welle innerhalb eines Verdichtergehäuses angebracht ist. Das Verdichterrad liefert verdichtete Luft zu dem Einlasskrümmer der Kraftmaschine, wodurch die Kraftmaschinenleistung erhöht wird.
Die Turboladerwelle ist herkömmlicherweise durch Radial- und Axiallager gestützt, die geeignete Schmiersysteme aufweisen, die sich innerhalb eines mittleren Lagergehäuses befinden, welches zwischen dem Turbinenradgehäuse und dem Verdichterradgehäuse angeschlossen ist. Es ist allgemein bekannt, dass das Vorsehen eines wirksamen Dichtsystems zum Verhindern eines Öllecks aus dem mittleren Lagergehäuse in das Turbinengehäuse problematisch ist. Es ist jedoch wichtig, ein Ölleck in das Turbinengehäuse zu verhindern, in dem es sich mit dem Abgas vermischt und Abgasemissionen erhöht, die eine Beschädigung von stromabwärtigen Komponenten wie zum Beispiel einen katalytischen Wandler verursachen können.
Ein Turboladerturbinenrad kann durch Reibschweißen an einer Dichtnabe an dem Ende der Turboladerwelle geschweißt sein, wobei die Dichtnabe einen größeren Durchmesser als die Welle hat und sich innerhalb eines ringartigen Kanals durch eine Gehäusewand dreht, die das Lagergehäuse von dem Turbinengehäuse trennt. Bekannte Öldichtanordnungen haben einen Dichtring, der sich um die Dichtnabe innerhalb des Kanals befindet, wodurch eine Dichtung in der Art und Weise eines Kolbenrings vorgesehen wird.
Während die Turbine des Turboladers einen Verdichter antreibt, überträgt bei einer Leistungsturbine das Ende der Turbinenwelle, das von dem Turbinenrad entfernt ist, eine Leistung über eine mechanische Kopplung. Bei einer Turboverbundkraftmaschine, die eine Leistungsturbine aufweist, welche in Reihe mit der Turbine eines Turboladers angeschlossen ist, kann ein Zahnrad an dem Ende der Leistungsturbinenwelle befestigt sein, um eine Leistung zu der Kurbelwelle der Kraftmaschine über eine geeignete Kopplung (wie zum Beispiel eine Fluidkupplung oder ein Getriebe oder ein anderer Antriebsmechanismus) hydraulisch, mechanisch oder elektrisch zu übertragen. Bezüglich eines Turboladers ist die Welle einer Leistungsturbine an Lagerbaugruppen gestützt, die geeignete Schmiersysteme aufweisen, welche sich innerhalb eines mit dem Turbinengehäuse verbundenen Lagergehäuses befinden. Die Lageranordnung an dem Turbinenende der Welle kann im Wesentlichen gleich jener sein, wie sie bei einem Turbolader vorgefunden wird, auch wenn die Lageranordnung an dem angetriebenen Ende der Welle eine Kugellagerbaugruppe sein kann.
Turbinen, ob sie bei einem Turbolader, einer Leistungsturbine oder einer anderen Turbomaschine enthalten sind, sind im Allgemeinen mit einem Hitzeschild versehen, das sich zwischen dem Turbinenrad und der Turbinen-/Lager-Gehäusewand befindet, durch die die Turbinenwelle hindurch tritt. Das Hitzeschild, das üblicherweise eine Metallblechkomponente ist, die in dem Turbinengehäuse hinter dem Turbinenrad angebracht ist, ist zum Verhindern einer Überhitzung des Lagergehäuses vorgesehen, die zum Beispiel zu einer Ölverkokung in dem Lagergehäuse führen kann.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Probleme des Öllecks aus einem Turbomaschinenlagergehäuse in das Turbinengehäuse oder das Hitzeschild zu unterbinden oder abzuschwächen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine Turbomaschine vorgesehen, die Folgendes aufweist:
ein Gehäuse, das einen Lagerhohlraum und eine Turbinenkammer definiert, die durch eine erste Wand getrennt sind;
ein Turbinenrad, das an einer Welle für eine Drehung innerhalb der Turbinenkammer um eine Maschinenachse angebracht ist;
ein Hitzeschild, das zwischen der ersten Wand und dem Turbinenrad angeordnet ist, wobei ein Hitzeschildhohlraum zwischen der ersten Wand und dem Hitzeschild definiert ist;
die Welle, die sich von der Turbinenkammer in den Lagerhohlraum durch einen Kanal erstreckt, der zumindest teilweise durch eine erste Öffnung in der Wand und eine zweite Öffnung in dem Hitzeschild definiert ist, wobei die Welle für eine Drehung an einer Lagerbaugruppe angebracht ist, die in dem Lagerhohlraum vorgesehen ist;
eine erste Dichtung zwischen der Welle und der ersten Öffnung ;
das Gehäuse, das einen ersten Gaskanal definiert, der mit dem Hitzeschildhohlraum für eine Verbindung mit einer Druckwelle zum Anheben eines Drucks innerhalb des Hitzeschildhohlraums in Verbindung ist;
einen zweiten Kanal zwischen dem Hitzeschildhohlraum und dem Kanal, wobei der zweite Kanal zu dem Kanal an der zu der Lagerbaugruppe entgegengesetzten Seite der ersten Dichtung mündet; und
eine zweite Dichtung, die zwischen der Welle und der zweiten Öffnung vorgesehen ist.
Das Anheben des Drucks in dem Kanal bezüglich des Drucks in dem Lagerhohlraum reduziert die Neigung des Öls, entlang der ersten Dichtung zu lecken. Diesbezüglich ist es vorzuziehen, dass der Druck innerhalb des Hitzeschildhohlraums über jenen Druck angehoben wird, der üblicherweise innerhalb des Lagerhohlraums angrenzend an der ersten Öffnung gebildet ist.
Die erste Dichtung kann einen oder mehrere Dichtringe aufweisen, die zum Beispiel eine sich überlappende Spaltringdichtung aufweisen.
Die zweite Dichtung kann einen oder mehrere Dichtringe aufweisen, wie zum Beispiel eine Spaltringdichtung.
Bei einigen Ausführungsbeispielen kann der zweite Kanal einen ringartigen Spalt aufweisen, der zwischen der Wand und dem Hitzeschild zwischen der ersten und der zweiten Öffnung definiert ist.
Bei einigen Ausführungsbeispielen kann der zweite Kanal einen oder mehrere sich in Umfangsrichtung erstreckende Schlitze aufweisen, die um den Kanal herum definiert sind.
Bei einigen Ausführungsbeispielen kann der zweite Kanal eine oder mehrere Öffnungen aufweisen, die in den Kanal und den Hitzeschildhohlraum münden.
Der erste Kanal kann sich zwischen dem Hitzeschildhohlraum und einer äußeren Fläche erstrecken, die durch das Gehäuse definiert ist, und er kann eine Vielzahl an Kanälen aufweisen.
Die Welle kann einen Abschnitt mit vergrößertem Durchmesser haben, der innerhalb des Kanals angeordnet ist und sich dort dreht. Der Abschnitt mit vergrößertem Durchmesser der Welle kann eine sich im Allgemeinen radial erstreckende ringartige Wand definieren, die der Lagerbaugruppe zugewandt ist (und möglicherweise an ihr anliegt). Die ringartige Wand kann so konfiguriert sein, dass sie Öl von der Welle radial weg treibt, wenn sich die Welle dreht. Das Öl kann in einen ringartigen Ölsammelkanal getrieben werden, der innerhalb des Lagerhohlraums vorgesehen ist und die sich radial erstreckende ringartige Wand in Umfangsrichtung umgibt.
Bei einigen Ausführungsbeispielen hat der Abschnitt mit vergrößertem Durchmesser der Welle eine radial äußere Umfangsfläche, die sich im allgemeinen axial erstreckt, wobei sich eine Ölschleudernut in den vergrößerten Abschnitt erstreckt, wobei die Ölschleudernut eine Mündung hat, die zwischen einem ersten sich in Umfangsrichtung erstreckenden Rand und einem zweiten sich in Umfangsrichtung erstreckenden Rand definiert ist, wobei der zweite Rand sowohl radial als auch axial von dem ersten Rand beabstandet ist.
Das Hitzeschild kann einstückig mit der Gehäusewand ausgebildet sein, anstatt dass es als separate Komponente vorgesehen ist. Zum Beispiel kann ein Abschnitt des Gehäuses, der das Hitzeschild und die Wand definiert, eine einzige Komponente, zum Beispiel ein einziges Gussteil, aufweisen.
Die Turbomaschine kann zum Beispiel ein Turbolader sein, der ein Turbinengehäuse, das die Turbinenkammer definiert, und ein Lagergehäuse aufweist, das den Lagerhohlraum definiert. Alternativ kann die Turbomaschine eine Leistungsturbine sein, die ein Turbogehäuse, das die Turbokammer definiert, und ein Lagergehäuse aufweist, das den Lagerhohlraum definiert. Bei einer Leistungsturbine überträgt eine durch Abgas angetriebene Turbine eine Leistung über eine Antriebsverbindung, die sich an dem zu dem Turbinenrad entgegengesetzten Ende der Welle dreht. Die Antriebsverbindung kann zum Beispiel an eine Abgabewelle einer Brennkraftmaschine gekoppelt sein. Die Leistungsturbine kann eine Radial- oder Axialturbine sein. Bei einer Axialturbine hat die Turbine einen axialen Einlass, der Abgas in einer im Allgemeinen axialen Richtung durch das Turbinenrad zu einem ringartigen Auslass führt. Ein Turbolader und eine Leistungsturbine können in einer Turboverbundkraftmaschine kombiniert sein.
Die vorliegende Erfindung sieht außerdem ein Verfahren zum Reduzieren eines Öllecks in einer Turbomaschine vor, die ein Gehäuse aufweist, das einen Lagerhohlraum und eine Turbinenkammer definiert, die durch eine erste Wand getrennt sind;
ein Turbinenrad, das an einer Welle für eine Drehung innerhalb der Turbinenkammer um eine Maschinenachse angebracht ist;
ein Hitzeschild, das zwischen der ersten Wand und dem Turbinenrad angeordnet ist, wobei ein Hitzeschildhohlraum zwischen der ersten Wand und dem Hitzeschild definiert ist;
die Welle, die sich von der Turbinenkammer in den Lagerhohlraum durch einen Kanal erstreckt, der zumindest teilweise durch die erste Öffnung in der Wand und eine zweite Öffnung in dem Hitzeschild definiert ist, wobei die Welle für eine Drehung an einer Lagerbaugruppe angebracht ist, die in dem Lagerhohlraum vorgesehen ist;
eine erste Dichtung zwischen der Welle und der ersten Öffnung;
einem zweiten Kanal zwischen dem Hitzschildhohlraum und dem Kanal, wobei der zweite Kanal in den Kanal an der zu der Lagerbaugruppe entgegengesetzten Seite der ersten Dichtung mündet; und
wobei das Verfahren ein Zuführen von mit Druck beaufschlagter Luft zu dem Hitzeschildhohlraum aufweist, um den Druck innerhalb des Hitzeschildhohlraums anzuheben und dadurch den Druck innerhalb des Kanals an der zu der Lagerbaugruppe entgegengesetzten Seite der ersten Dichtung anzuheben.
Spezifische Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nun anhand von Beispielen lediglich unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, wobei:
1 zeigt einen Querschnitt durch einen bekannten Turbolader;
2 zeigt einen Querschnitt durch eine bekannte Radialleistungsturbine;
3 zeigt einen Querschnitt durch eine bekannte Axialleistungsturbine;
4 zeigt einen Querschnitt durch eine Axialleistungsturbine gemäß der vorliegenden Erfindung;
5 zeigt einen vergrößerten Querschnitt durch einen Teil der Turbine gemäß der 4;
6a und 6b stellen eine Abwandlung eines Merkmals der Leistungsturbine gemäß der 4 dar; und
7 stellt eine Abwandlung der Leistungsturbine gemäß den 6a und 6b dar.
Unter Bezugnahme auf die 1 hat der dargestellte Turbolader (wie er in US-7,086,842 offenbart ist) eine Turbine 1, die über ein mittleres Lagergehäuse 3 an einen Verdichter 2 gefügt ist.
Die Turbine 1 hat ein Turbinenrad 4, das sich innerhalb eines Turbinengehäuses 5 dreht. In ähnlicher Weise hat der Verdichter 2 ein Verdichterrad 6, das sich innerhalb eines Verdichtergehäuses 7 dreht. Das Turbinenrad 4 und das Verdichterrad 6 sind an entgegengesetzten Enden einer gemeinsamen Turboladerwelle 8 angebracht, die sich durch das mittlere Lagergehäuse 3 erstreckt.
Das Turbinengehäuse 5 hat einen Abgaseinlassdiffusor 9, der ringartig um das Turbinenrad 4 angeordnet ist, und einen Axialabgasauslass 10. Das Verdichtergehäuse 7 hat einen Axiallufteinlasskanal 11 und einen Verdichtungsluftauslassdiffusor 12, der ringartig um das Verdichterrad 6 angeordnet ist.
Im Gebrauch wird das Turbinenrad 4 innerhalb einer Turbinenkammer 4a durch den Durchlass von Abgas von dem ringartigen Abgaseinlass 9 zu dem Abgasauslass 10 gedreht, wodurch wiederum das Verdichterrad 6 gedreht wird, wodurch Einlassluft durch den Verdichtereinlass 11 eingezogen wird, und Ladeluft wird zu dem Einlass einer Brennkraftmaschine über den Verdichterauslassdiffusor 12 geliefert.
Die Turboladerwelle 8 dreht sich an vollständig schwimmenden Radiallagern 13 und 14, die in einem Lagerhohlraum 3b zu dem Turbinenende bzw. dem Verdichterende des Lagergehäuses 3 untergebracht sind. Die Lagerbaugruppe 14 am Verdichterende hat des Weiteren ein Axiallager 15, das mit einer Öldichtbaugruppe zusammenwirkt, die eine Ölschleuder 16 aufweist. Eine Ölschleuder ist eine ringartige Komponente, die sich mit der Welle dreht und üblicherweise eine Anzahl an sich radial erstreckenden Kanälen aufweist, die in wirksamer Weise als Flügel dienen, um das Öl von der Welle weg und insbesondere von dem Kanal aus dem Lagergehäuse in das Verdichtergehäuse zu schleudern. Eine ringartige Schwallkammer, die sich um das Axiallager und die Lagerbaugruppe befindet, sammelt das Öl für eine Rückführung innerhalb des Schmiersystems. Die Schwallkammer kann mit Auslasskanälen zum Auslassen von Öl in einen Sumpf versehen sein. Einzelheiten des Verdichterendlagers und der Öldichtung sind für das Verständnis der vorliegenden Erfindung nicht wesentlich, und sie werden nicht weiter beschrieben. Das Öl wird zu dem Lagergehäuse von dem Ölsystem der Brennkraftmaschine über einen Öleinlass 17 zugeführt und zu den Lagerbaugruppen durch Ölkanäle 18 gefördert.
Das Turbinenrad 4 ist an das Turbinenende der Turboladerwelle 8 an eine Dichtnabe 19 gefügt. Im Allgemeinen ist die Dichtnabe 19 einstückig mit der Welle 8 ausgebildet (und als solche bildet sie einen Teil der Welle), und sie ist (zum Beispiel durch Reibungsschweißen) an einen Nabenabschnitt an der Rückseite des Turbinenrads 4 gefügt. Die Dichtnabe 19 erstreckt sich durch einen ringartigen Kanal 20 in einer Lagergehäusewand 3a und in das Turbinengehäuse. Die Dichtnabe 19 ist hinsichtlich des ringartigen Kanals 20 durch einen sich überlappenden Spaltring 21 abgedichtet, der ein Öl- und Gasleck durch den Kanal 20 unterbindet. Das Radiallager 13 am Turbinenende befindet sich zwischen Sicherungsringen 22 und 23. Öl wird zu dem Lager 13 über einen Ölkanal 18 gefördert, und das Lager 13 ist mit in Umfangsrichtung beabstandeten radialen Löchern 27 versehen, damit das Öl zu der Turboladerwelle 8 tritt. Ein ringartige Ölrückführungsnut 24 ist radial in dem Lagergehäuse 3 angrenzend an dem Kanal 20 durch die Gehäusewand 3a vertieft. Die Ölrückführungsnut 24 umgibt die Welle 8. Die ringartige Seite der Dichtnabe 19 ist mit einer Hinterschneidung 25 bearbeitet, so dass sie sich in einem Winkel weg von dem Kanal 20 durch die Lagergehäusewand 3a erstreckt, anstatt dass sie sich streng radial von der Welle 8 erstreckt. Wenn sich die Welle 8 dreht, läuft Öl, das an der ringartigen Fläche 31 vorhanden ist, sowohl radial als auch axial von dem Kanal 20 weg. Wie dies in US-7,086,842 beschrieben ist, dient die hinterschnittene Dichtnabe 19 als eine Ölschleuder, die die Ölströmung zu dem Kanal 20 und dem Dichtring 21 reduziert.
Ein Pressmetallhitzeschild 26 befindet sich in dem Turbinengehäuse zwischen dem Turbinenrad 4 und dem Lagergehäuse 3. Das Hitzeschild trennt die heiße Abgasströmung von dem Lagergehäuse, um eine Wärmeübertragung zu dem Lagergehäuse zu reduzieren, die andernfalls eine Überhitzung der Lager verursachen könnte. An seinem radial äußeren Rand 26a ist das Hitzeschild 26 zwischen dem Lagergehäuse 3 und dem Turbinengehäuse 5 eingeklemmt. Das Hitzeschild 26 hat eine mittlere Öffnung 27, die die Nabe 19 umgibt und von dieser beabstandet ist, um eine freie Drehung der Welle 8 zu ermöglichen. Ein Hitzeschildhohlraum 28 ist zwischen dem Hitzeschild 26 und dem Lagergehäuse 3 definiert, um eine Wärmeströmung zu dem Lagergehäuse von dem heißen Abgas zu reduzieren, das durch das Turbinengehäuse strömt.
Unter Bezugnahme auf die 2 stellt diese eine Radialleistungsturbine dar (wie sie in US-6,905,316 beschrieben ist), die eine Welle 31 aufweist, die an einem Ende ein Turbinenrad 32 innerhalb einer Turbinenkammer 32a stützt und an dem anderen Ende ein Antriebszahnrad 33 stützt. Die Welle 31 ist in einem einstückigen röhrenartigen Lager 34 gestützt, das innerhalb des Lagerhohlraums eines Lagergehäuses 35 gestützt ist. Das Lagergehäuse 35 ist an einem Turbinengehäuse 36 gesichert, das einen Diffusor 37 definiert, durch den ein Abgas zum Aufbringen eines Momentes auf die Turbine 32 hindurch tritt, das von einer Brennkraftmaschine geliefert wird. Ein Hitzeschild 38 schützt die Lagerbaugruppe von den heißen Gasen, die durch die Turbinenkammer 32a hindurchströmen und die Turbine 32 antreiben.
Ein Ende des Lagers 34 liegt an einem Absatz 39 an, der durch eine Dichtnabe 40 an dem Turbinenende der Welle 31 definiert ist. Das andere Ende des Lagers 4 liegt an einem Flansch 41 an, der einen Teil eines Axiallagers an dem Antriebsende der Welle 31 bildet. Wie dies in der US-6,905,316 beschrieben ist, ersetzt dieses einstückige Lager die überwiegend herkömmlichen Lageranordnungen (die üblicherweise ein Festlager an dem Antriebsende der Welle aufweisen), was das Lagern der Last an dem Antriebsende der Leistungsturbine verbessert.
Bezüglich des Turboladers gemäß der 1 ist das Hitzeschild 32 ein Pressmetallelement, das an seinem radial äußeren Rand zwischen dem Turbinengehäuse 36 und dem Lagergehäuse 35 geklemmt ist und eine mittlere Öffnung 42 definiert, in der sich die Dichtnabe 40 dreht (ein kleiner ringartiger Zwischenraum, der wiederum zwischen der Öffnung 42 und der Dichtnabe 40 verbleibt). Ein Hitzeschildhohlraum 45 ist zwischen dem Hitzeschild 38 und dem Lagergehäuse 35 definiert, um eine gewisse Isolierung zwischen den beiden vorzusehen.
Die Dichtanordnung an dem Turbinenende der Welle 31 ist im Wesentlichen gleich, wie sie bei dem Turbolader gemäß der 1 eingebaut ist, und demnach hat sie einen Dichtring 43 (der wiederum üblicherweise ein Spaltring ähnlich wie ein herkömmlicher Kolbenring ist), der die Nabe 40 hinsichtlich eines Kanals 44 durch das Lagergehäuse 35 abdichtet.
Die 3 stellt eine bekannte Axialleistungsturbine dar. Die Turbine hat ein Lagergehäuse 50 und ein Axialturbinengehäuse 51. Eine Welle 52 erstreckt sich durch das Lagergehäuse 50 und stützt an einem Ende ein Turbinenrad 53 und an dem anderen Ende ein Antriebszahnrad 54. Die Welle ist an einem einstückigen Lager 55 gestützt, das im Wesentlichen gleich dem einstückigen Lager 31 gemäß der 2 (und US-6,905,316 ) ist, und es wird nicht in weiteren Einzelheiten beschrieben. In ähnlicher Weise ist das Turbinenrad 53 an dem Ende der Welle 52 an eine Dichtnabe 56 gefügt, die sich durch einen ringartigen Kanal 57 in einer Wand des Lagergehäuses 50 erstreckt. Die Dichtnabe 56 ist hinsichtlich des Kanals 57 durch einen Dichtring 58 abgedichtet, der ein sich überlappender Spaltring sein kann.
Das Turbinengehäuse 51 hat einen axialen ringartigen Einlasskanal 59, der um eine gewölbte Düse 60 definiert ist und eine ortsfeste ringartige Flügelaufreihung 61 hat. Abgas strömt durch den ringartigen Einlasskanal 59 durch das Turbinenrad 53 und in einen ringartigen Sammelabschnitt 62 des Turbinenauslasses über einen ringartig aufgebördelten Turbinendiffusorabschnitt 63, der eine Erweiterung des Einlasskanals 59 ist. Das Gas verlässt die Turbine über einen im allgemeinen axial orientierten Auslass 64.
Ein Pressmetallhitzeschild 65 ist wiederum zum Trennen des Lagergehäuses 50 von der Abgasströmung vorgesehen. Die Konfiguration des Hitzeschilds 65 ist in großem Maße durch den Axialströmungspfad des Abgases durch die Turbine bestimmt, und insbesondere definiert das Hitzeschild 65 eine radial innere Fläche des Turbinendiffusorabschnitts 62, die das Führen der Abgasströmung in den Turbinenauslass 62/63 unterstützt. An seinem radial äußersten Rand ist das Hitzeschild 65 wiederum zwischen dem Lagergehäuse 50 und dem Turbinengehäuse 51 geklemmt, aber in diesem Moment ist der radial innere Rand des Hitzeschilds 65 mit dem Lagergehäuse 35 um den Wellenkanal 57 in Kontakt und wird durch einen Rückhaltering 66 in Position gehalten. Ein Hitzeschildhohlraum 67 ist zwischen dem Hitzeschild 65 und dem Lagergehäuse 51 zum Reduzieren einer Wärmeübertragung zu dem Lagergehäuse 51 von dem heißen Abgas definiert, das durch die Turbine strömt.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Dichtanordnung an dem Turbinenende einer Turbomaschinenwelle, und ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird auf eine Axialleistungsturbine angewendet, die nun unter Bezugnahme auf die 4 beschrieben wird.
Unter Bezugnahme auf die 4 stellt diese eine Leistungsturbine gemäß der vorliegenden Erfindung dar, bei der ein Turbinengehäuse 70, ein Lagergehäuse 71 und ein Hitzeschild 72 als eine einzige Komponente integriert sind, die zum Beispiel als ein einziges Gussteil ausgebildet sein kann (auch wenn bestimmte Merkmale des Gehäuses maschinell nachbearbeitet werden können). Das Turbinengehäuse hat einen axialen Einlassabschnitt 73, der zusammen mit einer Düse 74 einen ringartigen Einlasskanal 75 definiert. Die Düse 74 ist innerhalb des axialen Einlasses 73 durch einen Rückhaltering 75 in Position gehalten. Eine ringartige Aufreihung von ortsfesten Flügeln 76 ist in dem Einlasskanal 75 stromaufwärts von einem Turbinenrad 77 angeordnet, das sich innerhalb einer Turbinenkammer 77a dreht.
Das innere Ende des axialen Einlasses 73 ist radial nach außen gebördelt, um einen Turbinendiffusorabschnitt 76 zu definieren, der zu dem Turbinenauslass führt, der einen ringartigen Sammelabschnitt 77 und einen im Allgemeinen radialen Auslasskanal 78 aufweist.
Der Abgasströmungspfad durch das Turbinengehäuse 70 wird von dem Lagergehäuse 71 durch ein integriertes Hitzeschild 72 getrennt, das außerdem einen Teil des Turbinengehäusediffusorabschnitts 76 und einen ringartigen Auslassabschnitt 77 definiert. Ein Hitzeschildhohlraum 78 ist zwischen dem Hitzeschild 72 und dem Lagergehäuse 71 definiert, und ein Kanal 79 erstreckt sich durch das Turbinengehäuse zu dem Hohlraum 78. Der Zweck des Kanals 79 wird nachfolgend weiter beschrieben.
Das Turbinenrad 77 ist (zum Beispiel durch Reibungsschweißen) an einem Ende einer Dichtnabe 80 angebracht, die an einem Ende einer Welle 81 definiert ist. Die Welle 81 ist für eine Drehung innerhalb eines einstückigen röhrenartigen Lagers 82 gestützt, das im Wesentlichen gleich den Lagern ist, die in den 2 und 3 gezeigt sind. Das Lager wird innerhalb eines Lagerhohlraums 71a zwischen der Nabe 80 und einem Flansch 83 zurückgehalten, der einen Teil eines Axiallagers an dem Antriebsende der Welle 81 bildet, die ein Antriebszahnrad 84 stützt. Einzelheiten des Lagers und der Antriebszahnradbaugruppe an dem Antriebsende der Welle können wiederum gleich jenen Einzelheiten sein, die in den 2 und 3 dargestellt sind.
Wie dies in der 4 gezeigt und in weiteren Einzelheiten der 5 gezeigt ist (die eine Vergrößerung der Dichtanordnung an dem Turbinenende der Welle 81 zeigt), dreht sich die Dichtnabe 80 innerhalb eines Kanals 85, der teilweise durch eine Öffnung 86 in einer Wand des Lagergehäuses 71 und teilweise durch eine Öffnung 87 durch das Hitzeschild 72 definiert ist. Die Dichtnabe ist hinsichtlich des Kanals 87 durch einen ersten Dichtring 88 abgedichtet, der eine Gasdichtung zwischen der Dichtnabe 80 und der Öffnung 86 vorsieht, die durch das Lagergehäuse 71 definiert ist, und durch einen zweiten Dichtring 89, der eine Gasdichtung zwischen der Dichtnabe 80 und der Öffnung 87 vorsieht, die durch das Hitzeschild 72 definiert ist. Die Dichtringe 88 und 89 sind vorzugsweise sich überlappende Spaltringdichtungen, und sie befinden sich in jeweiligen ringartigen Nuten 90 und 91, die in der Außenfläche der Dichtnabe 80 definiert sind.
Ein ringartiger Spalt 92 ist zwischen dem Lagergehäuse 71 und dem Hitzeschild 72 angrenzend an dem Kanal 85 definiert, der für eine Fluidverbindung zwischen dem Hohlraum 78 und dem Abschnitt des Kanals 85 sorgt, die zwischen dem ersten und dem zweiten Dichtring 88 und 89 definiert ist.
Öl wird dem Lagergehäuse 71 für eine Schmierung des Lagers 81 zugeführt und tritt zu dem Lager durch Ölkanäle 93 und 94 an dem Verdichterende und bzw. dem Turbinenende 82. Das Lager 82 ist mit Öldurchlässen 95 versehen, die eine Ölströmung durch das Lager zu der Welle 81 zulassen. Eine Öffnung 96 in einem mittleren Abschnitt des Lagers 82 gewährleistet, dass das Öl aus den Innenlagerflächen frei ausgelassen werden kann. Das Lagergehäuse definiert außerdem eine ringartige Schwallkammer 97 an dem Turbinenende des Lagergehäuses, die das von der sich drehenden Dichtnabe zurückschwallende Öl sammelt und dieses zu dem Lagerhohlraumölauslass 98 liefert, der steiler ist als im herkömmlichen Fall, und zwar infolge des einstückigen Gussteils des Lagergehäuses und des Hitzeschilds (was vorteilhaft sein kann, wenn die Turbine geneigt ist, zum Beispiel wenn sie in einem Fahrzeug enthalten ist, das auf einer Neigung steht).
Die Ölzufuhr zu dem Lagergehäuse kann aus irgendeiner geeigneten Quelle kommen. Üblicherweise wird die Ölzufuhr von dem Druckölzuführungssystem einer Brennkraftmaschine geliefert, zum Beispiel über eine Ölförderung von einem Brennkraftmaschinenkurbelgehäuse. In ähnlicher Weise kann das Öl aus dem Lagergehäuse zu einem Sumpf ausgelassen werden, der der Ölsumpf der Brennkraftmaschine oder ein Getriebekastenölsumpf sein kann. Es ist offensichtlich, dass andere Ölzuführungsanordnungen möglich sind.
Der Öldruck innerhalb des Lagergehäuses kann sich ändern, aber er wird im Allgemeinen größer sein als der Druck in dem Turbinengehäuse hinter dem Turbinenrad. Dies ist dann insbesondere für eine Axialleistungsturbine der Fall, da Drücke unterhalb des Atmosphärendrucks hinter dem Turbinenrad erzeugt werden können. Ein Druckabfall von dem Lagergehäuse zu dem Turbinengehäuse kann das Problem des Öllecks aus dem Lagergehäuse in das Turbinengehäuse und somit in die Abgasströmung erschweren. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird dieses Problem dadurch bewältigt, indem der Hohlraum 78 mit Druck beaufschlagt wird, der zwischen dem Hitzeschild 72 und dem Lagergehäuse 71 über den Kanal 79 definiert ist. Der Druck innerhalb des Hohlraums 78 wird zu dem Abschnitt des Dichtnabenkanals 85 übertragen, der zwischen dem ersten und dem zweiten Dichtring 90 und 91 definiert ist. Dies hat die Wirkung zum Anheben des Drucks hinter dem ersten Dichtring 90, der die Welle (Dichtnabe 80) hinsichtlich des Lagergehäuses abdichtet. Das Reduzieren des Druckabfalls entlang des Dichtrings 90 von dem Lagergehäuse zu dem Turbinengehäuse reduziert die Wahrscheinlichkeit eines Öllecks hinter dem Dichtring 90 aus dem Lagergehäuse.
Der Hitzeschildhohlraum 78 kann auf einen Druck beaufschlagt werden, der über jenem Druck liegt, der üblicherweise in dem Lagergehäuse vorgefunden wird. Ein Druck so klein wie ungefähr 0,2 bar gauge bis ungefähr 1 bar gauge kann bei einer üblichen Leistungsturbine ausreichend sein. Auch wenn die Ölzufuhr zu dem Lagergehäuse bei einem Druck von ungefähr 5 bar gauge zugeführt wird, wird der Öldruck in der Nähe der Dichtnabe 80 im allgemeinen sehr viel kleiner als dieser sein, was durch die begrenzten Strömungspfade für das Öl vorgegeben ist, um diesen Bereich des Lagergehäuses zu erreichen.
Das Anheben des Drucks in dem Hitzeschildhohlraum 78 und somit in dem Abschnitt des Kanals 85 zwischen den Dichtringen 90 und 91 hat eine vorteilhafte Wirkung beim Reduzieren des Öllecks entlang des Dichtrings 90. Auch wenn der erhöhte Druck innerhalb des Hohlraums 78 unter jenem Druck innerhalb des Lagergehäuses in dem Bereich der Dichtnabe 80 bleibt, kann nämlich die Druckdifferenz entlang des Dichtrings 90 nichtsdestotrotz reduziert werden. Jedoch ist es vorzuziehen, dass der Druck innerhalb des Hohlraums 78 auf einem Niveau ist, das zumindest im Allgemeinen annähernd der maximale Druck ist, der in dem Lagergehäuse angrenzend an der Dichtnabe 80 auftreten wird, und weiter bevorzugt ist er noch größer als dieses Niveau.
Bei dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel der Erfindung sind beide Dichtringe 90 und 91 sich überlappende Spaltringe. Bei alternativen Ausführungsbeispielen der Erfindung kann der zweite Dichtring 91 durch einen einfachen sich nicht überlappenden Spaltring ersetzt werden, der eine Kosteneinsparung mit sich bringen kann. Die Wirkung der Abdichtung zwischen der Dichtnabe und der Öffnung 87 durch das Hitzeschild 72 ist bedeutend geringer als bei dem ersten Dichtring 90. Auch wenn es vorzuziehen ist, überhaupt keine Luftströmung aus dem Hohlraum 78 in das Turbinengehäuse zu haben, würde eine kleine Luftströmung unter gewissen Umständen kein bedeutendes Problem darstellen. Tatsächlich kann bei anderen alternativen Ausführungsbeispielen der Erfindung dieser zweite Dichtring 91 insgesamt weggelassen werden, sofern der erforderliche Druck in dem Hohlraum 78 ohne inakzeptable Luftströmungsniveaus in das Turbinengehäuse aufrechterhalten werden kann.
In der Praxis kann es schwierig sein, den Öldruck innerhalb des Lagergehäuses angrenzend an der Dichtnabe zu messen. Für irgendeine vorgegebene Anwendung kann der optimale Druck für den Hohlraum 78 durch Versuche empirisch bestimmt werden. Alternativ kann der Öldruck an dem Ölauslass gemessen werden, der im Allgemeinen gleich jenem Druck ist, der an der Dichtnabe 80 vorhanden ist. Bei einigen Ausführungsbeispielen der Erfindung kann sich der Druck innerhalb des Hohlraums 78 ändern, und er kann bewusst geändert werden, und zwar unter unterschiedlichen Betriebsbedingungen der Turbine oder der Vorrichtung (wie zum Beispiel einer Brennkraftmaschine), in der die Turbine eingebaut ist.
Eine Zufuhr mit druckbeaufschlagtem Gas (vorzugsweise Luft) kann zu dem Hohlraum 78 durch den Kanal 79 geliefert werden. Eine bestimmte Druckgas-(Druckluft-)Quelle (nicht gezeigt) kann vorgesehen sein. Bei Anwendungen, bei denen die Turbine mit einer Brennkraftmaschine verbunden ist, kann mit Druck beaufschlagte Luft zum Beispiel von einem Bremskraftverstärkersystem oder einer Hilfsluftzufuhr abgeleitet werden. Mit Druck beaufschlagte Luft kann außerdem von einer stromaufwärtigen Seite des Turboladers bei Anwendungen abgeleitet werden, bei denen die Turbine in Zusammenhang mit einem stromaufwärtigen Turbolader verwendet wird (eventuell als eine Leistungsturbine in einem Turboverbundsystem oder als ein zweiter Turbolader in einem Doppel-Turboladersystem). In ähnlicher Weise kann eine andere Leistungsturbinenkomponente wie zum Beispiel ein Getriebekasten, etc. verwendet werden, um Luft innerhalb des Hitzeschildhohlraums 78 mit Druck zu beaufschlagen.
Bei dem Ausführungsbeispiel der Erfindung, das in den 4 und 5 gezeigt ist, ist das Hitzeschild 72 einstückig mit dem Lager-/Turbinengehäuse. Dies ist insbesondere vorteilhaft, da es die Notwendigkeit zum Vorsehen einer Dichtung an dem radial äußeren Rand des Hitzeschilds vermeidet, um zu unterstützen, dass der gewünschte Druck in dem Hitzeschildhohlraum 78 aufrecht erhalten wird. Das Vorsehen einer wirksamen Dichtung in diesem Bereich ist zum Beispiel bei herkömmlichen Pressmetallhitzeschilden aufgrund einer zumindest teilweisen unterschiedlichen Expansion zwischen dem Hitzeschild und dem Gehäuse problematisch. Bei einer Axialleistungsturbine, wie sie dargestellt ist, kann die Notwendigkeit zum Vorsehen einer Dichtung in diesem Bereich ebenfalls die aerodynamischen Eigenschaften eines Turbinendiffusers/-auslasses beeinträchtigen, der mit einem herkömmlichen Hitzeschild versehen ist.
Das einstückige Ausbilden des Hitzeschilds 72 mit dem Lager-/Turbinengehäuse, zum Beispiel durch Gießverfahren, unterstützt außerdem die Herstellung der erforderlichen Toleranzen zwischen dem Hitzeschild und der Welle (Dichtnabe). Bei einigen Ausführungsbeispielen kann die Öffnung 87 durch das Hitzeschild (und tatsächlich die Öffnung 86 durch das Lagergehäuse) zumindest teilweise nach dem Gießen nachbearbeitet werden. Bei weiteren Ausführungsbeispielen können. die Öffnung 87 durch das Hitzeschild und die Öffnung 86 durch das Lagergehäuse in einem Schritt maschinell nachbearbeitet werden, um eine Ausrichtung zu gewährleisten. Alternativ kann die Öffnung 87 maschinell nachbearbeitet werden, während das Hitzeschild 72 angrenzend an dem Lagergehäuse 3 in Position gehalten wird, und zwar mit einem Maschinenwerkzeug, das bezüglich einer Fläche der Öffnung 87 ausgerichtet wird. Der ringartige Spalt 92 zwischen dem Lagergehäuse und dem Hitzeschild muss keine gegossene Komponente sein, sondern sie kann nach dem Gießen maschinell nachbearbeitet werden. Es ist jedoch vorzuziehen, dass diese Komponente gegossen wird. Geeignete Gießverfahren sind dem Fachmann bekannt, und sie beinhalten zum Beispiel Gießen mit verlorenem Schaum, verlorenem Wachs und Sandguss. Bei einigen Ausführungsbeispielen der Erfindung wird der ringartige Spalt 92 nach dem maschinellen Bearbeiten der Öffnung 97 maschinell bearbeitet. Bei weiteren Ausführungsbeispielen wird der ringartige Spalt 92 unter Verwendung eines Werkzeugs maschinell bearbeitet, das durch die Öffnung 87 eingefügt wird.
Auch wenn die Dichtringe 90 und 91 vorgeschlagen werden, können alternative Dichtanordnungen zwischen der Welle (Dichtnabe) und dem Lagergehäuse und außerdem zwischen der Welle (Dichtnabe) und dem Hitzeschild vorgesehen werden. Anstelle eines einzigen Dichtrings 90 können zum Beispiel mehrere Dichtringe vorgesehen werden, um die Welle (Dichtnabe) hinsichtlich des Lagergehäuses abzudichten, und in ähnlicher Weise können mehrere Dichtringe zum Abdichten der Welle (Dichtnabe) hinsichtlich des Hitzeschilds anstelle des einzigen Dichtrings 91 verwendet werden.
Bei dem Ausführungsbeispiel der Erfindung, das in den 4 und 5 dargestellt ist, ist der Kanal von dem Hohlraum 77 zu dem Kanal 86 durch den ringartigen Spalt 92 definiert. Zusätzlich zum Ermöglichen einer Druckbeaufschlagung des Kanals 85 zwischen den Dichtringen 90 und 91 unterstützt der ringartige Spalt 92 ebenfalls eine Reduzierung der Wärmeübertragung von dem Hitzeschild 72 zu dem Lagergehäuse 71, und er reduziert eine Spannung, die aus der thermischen Expansion des Hitzeschilds resultieren kann. Jedoch ist es nicht wesentlich, dass der ringartige Spalt 92 kontinuierlich ist, und der Spalt kann zum Beispiel an Umfangsstellen, die voneinander beabstandet sind, durch ein Material überbrückt werden, das sich zwischen dem Hitzeschild 72 und dem Lagergehäuse 71 erstreckt. Eine derartige Anordnung kann in wirksamer Weise einen Kanal zwischen dem Hohlraum 78 und dem Kanal 85 in der Gestalt einer Vielzahl von in Umfangsrichtung beabstandeten Schlitzen durch eine Wand vorsehen, die den Kanal 85 definiert. In ähnlicher Weise kann die erforderliche Verbindung zwischen dem Hohlraum 78 und dem Kanal 85 durch eine oder mehrere Öffnungen vorgesehen sein, wie zum Beispiel Löcher, die durch eine Gehäusewand hindurch vorgesehen sind, die sich zwischen dem Hitzeschild 72 und dem Lagergehäuse 71 erstreckt, die den Wellenkanal 85 definieren.
Bei Ausführungsbeispielen, bei denen ein ringartiger Spalt 92 zwischen dem Lagergehäuse 71 und dem Hitzeschild 72 vorhanden ist, ist es vorzuziehen, dass die axiale Breite des Spaltes enger ist als die axiale Breite des ersten Dichtrings 91, um das Einfügen der Welle einschließlich der Dichtringe in das Lagergehäuse durch das Turbinengehäuse zu erleichtern. Andere Konfigurationen für einen ringartigen Spalt zwischen dem Hitzeschild 72 und dem Lagergehäuse 71 sind dem Fachmann offensichtlich, die hilfreich sind, das Festklemmen des Dichtrings 90 innerhalb des ringartigen Spalts zu verhindern, wenn die Wellen/Dichtringbaugruppe in das Gehäuse eingefügt wird.
Andere Ausführungsbeispiele der Erfindung können ein Reservoir oder einen Kanal zum Sammeln/Beseitigen von irgendeinem Öl beinhalten, das hinter der Dichtring 90 in den Hohlraum 78 lecken kann. Ein derartiges Ölleck kann zum Beispiel möglicherweise dann auftreten, wenn die Zufuhr der mit Druck beaufschlagten Luft zu dem Hohlraum 78 nicht verfügbar ist oder aus irgendeinem Grund unterbrochen ist. Jedwelches so gesammeltes Öl kann zum Beispiel zu einem Kraftmaschinen- oder Getriebekastensumpf zurückgeführt werden.
Die Reduzierung der Ölströmung zu dem ersten Dichtring 90 wird durch das Vorsehen des ringartigen Ölsammelkanals 97 unterstützt, der das Öl sammelt, welches von der radialen Seite 80a der sich drehenden Dichtnabe 80 zurückschwallt, und dieses strömt zu dem Ölauslass. Dies ist dazu hilfreich, das Sammeln des Öls in dem Bereich der Dichtnabe 80 und das Erreichen des ersten Dichtrings 90 zu verhindern. Eine weitere Reduzierung der Neigung des Öls, den ersten Dichtring 90 zu erreichen, kann dadurch erreicht werden, dass eine Ölschleuder angrenzend an der Dichtnabe 80 vorgesehen wird. Öldichtringe sind dem Fachmann allgemein bekannt. Bei der vorstehend beschriebenen Lagerbaugruppe könnte eine Abwandlung notwendig sein, um einen Raum für den Öldichtring zu erzeugen, zum Beispiel durch Einbauen eines Sicherungsrings oder dergleichen, um das Turbinenende des Lagers 82 festzuhalten. In der Praxis kann es bei dem einstückigen Lager 82 einigermaßen schwierig sein, den erforderlichen Raum für eine getrennte Ölschleuder zu erzeugen, aber bei einer anderen Lageranordnung wie zum Beispiel bei der in der 1 gezeigten Lageranordnung kann der Einbau einer getrennten Ölschleuder einfach sein.
Alternativ kann die Dichtnabe 80 abgewandelt werden, um ihre Ölschleudereigenschaften zu verbessern. Zum Beispiel kann die radiale Seite der Nabe 80 mit einer Hinterschneidung ausgebildet sein, wie dies in der US-7,086,842 offenbart und vorstehend bei der 1 dargestellt wurde. Eine derartige Hinterschneidung verbessert den Betrieb der Dichtnabe selbst als eine Ölschleuder. Dies ist besonders nützlich bei dem Ausführungsbeispiel der Erfindung, das in den 4 und 5 dargestellt ist, in denen ein einstückiges Lager 82 eingebaut ist, das einen kleinen Raum an dem Turbinenende der Welle lässt, damit eine getrennte Ölschleuder eingebaut werden kann.
Eine Abwandlung der Dichtnabe 80, deren besondere Wirkung zum Reduzieren der Ölströmung zu dem ersten Dichtring 90 bestätigt wurde, ist in den 6a und 6b dargestellt. Die 6a entspricht der 5 mit Ausnahme, dass eine ringartige Ölschleudernut 100 vorgesehen ist. Alle Komponenten sind durch die gleichen Bezugszeichen identifiziert, wie sie in der 5 verwendet werden. Die Ölschleudernut 100 dient dazu, das Öl, das die Dichtnabe 80 erreicht, sowohl radial als auch axial in den Ölsammelkanal 97 zu treiben. Die Konfiguration der Ölschleudernut 100 ist in weiteren Einzelheiten in der 6b gezeigt.
Unter Bezugnahme auf die 6b hat die Nut 100 eine erste ringartige Seitenwand 101, eine zweite ringartige Seitenwand 102, die im wesentlichen parallel zu der ersten ringartigen Seitenwand 101 ist, und eine ringartige Basis 103. Die erste ringartige Seitenwand 101 liegt an einer konischen Fläche, die die Wellenachse X in einem Winkel θ schneidet, und die die Ebene schneidet, die die ringartige Seite 80a enthält, bevor sie eine zylindrische Fläche schneidet, die die zylindrische Wand 104 der Dichtnabe 80 enthält. Die zweite Seitenwand 102 liegt an der Fläche eines Konus, der wiederum die Achse X in einem Winkel θ schneidet, der aber eine zylindrische Fläche schneidet, die die zylindrische Außenwand 104 der Dichtnabe 80 enthält, bevor sie eine Ebene schneidet, die die ringartige Seite 80a enthält. Dadurch hat die Nut 100 einen ersten ringartigen Rand 105, der dort definiert ist, wo die Seitenwand 101 die radiale Dichtnabenseite 80a trifft, und einen zweiten ringartigen Rand 106, der dort definiert ist, wo die zweite Seitenwand 102 die zylindrische Wand 104 der Dichtnabe 80 trifft, wobei er sowohl axial als auch radial von dem ersten Rand 105 beabstandet ist. Die Nut 100 hat eine ringartige Mündung 107, die zwischen dem ersten Rand 105 und dem zweiten Rand 106 definiert ist, und sie liegt an einer konischen Fläche, die die ringartige Seite 80a und die zylindrischen Wand 104 schneidet. Die ringartige Basis 103 liegt an einer konischen Fläche, die im Wesentlichen senkrecht zu den Seitenwänden 101 und 102 und parallel zu der Mündung 107 ist.
Das vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung stellt somit ein wirksames Verfahren zum Reduzieren eines Öllecks entlang der Turbinenenddichtung bereit, ohne dass irgendwelche zusätzliche Komponenten zu der Dichtbaugruppe hinzugefügt werden, und nur mit einer minimalen Abwandlung zu herkömmlichen Turboladerkomponenten, nämlich durch geeignetes Profilieren des ringartigen Absatzes der Dichtnabe 80.
Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel bildet die erste Seitenwand 101 eine relativ scharfe ringartige Kante, wo sie die ringartige Seite 80a an dem Rand 105 trifft, und die zweite Seitenwand 102 bildet eine relativ scharfe ringartige Kante, wo sie die zylindrische Wand 104 an dem Rand 106 trifft. Bei anderen Ausführungsbeispielen können die Ränder 105 und 106 abgeschrägt sein, oder sie können abgestumpft sein, wie dies zum Beispiel durch gepunktete Linien in der 6b gezeigt ist. In gewissem Maß kann der Grad der Schärfe der Ränder 104 und 105 durch jene Technik bestimmt werden, die zum Ausbilden der Nut 100 verwendet wird. Es wird erwartet, dass Ränder mit scharfen Kanten, wie sie dargestellt sind, eine Ölschleuderwirkung der Nut 100 verbessern.
Die Ölschleudernutränder 105 und 106 liegen an einer konischen Fläche, die bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel die Achse X der Welle in einem Winkel 90° – θ schneidet. Bei anderen Ausführungsbeispielen der Erfindung, bei denen die Mündung 107 der Nut 100 im wesentlichen nicht senkrecht zu den Seitenwänden 105 und 106 ist, kann sich der Winkel von 90° – θ unterscheiden. Der Winkel wird jedoch größer als 0° und kleiner 90° sein. Bei einigen Ausführungsbeispielen wird der Winkel größer 20° und bei anderen Ausführungsbeispielen wird der Winkel größer als 30° sein. Bei einigen Ausführungsbeispielen wird der Winkel kleiner als 70° und bei anderen Ausführungsbeispielen wird er kleiner als 60° sein. Der Winkel kann zum Beispiel zwischen 20° und 70° betragen.
Der erste Rand 105 liegt auf einem Radius (bezogen auf die Achse X), der kleiner ist als bei dem zweiten Rand 106 (und er kann auf einem Radius liegen, der kleiner ist als das radial innerste Ende der zweiten Seitenwand 102). Bei einigen Ausführungsbeispielen beträgt das Verhältnis von diesen Radien mindestens 29:24. Bei anderen Ausführungsbeispielen beträgt das Verhältnis 27:24, und bei weiteren Ausführungsbeispielen beträgt das Verhältnis 25:24.
Bei den meisten Ausführungsbeispielen wird erwartet, dass der Radius des ersten Randes 105 kleiner ist als der Außenradius des Radiallagers 82 angrenzend an der Dichtnabe 80. Bei einigen Ausführungsbeispielen beträgt das Verhältnis des Radius des ersten Randes 105 zu dem Radius des Radiallagers mindestens 24:25. Bei anderen Ausführungsbeispielen beträgt das Verhältnis mindestens 24:27, und bei weiteren Ausführungsbeispielen beträgt das Verhältnis mindestens 24:29.
Die Basis 103 der Nut 100 muss sich nicht notwendigerweise senkrecht entweder zu der ersten Seitenwand 101 oder der zweiten Seitenwand 102 erstrecken. Es ist auch nicht erforderlich, dass der Schnittpunkt der Basis 103 mit den jeweiligen Seitenwänden 101 und 102 gekrümmt ist, wie dies in der 6b gezeigt ist.
Die Trennung A der Seitenwände 101 und 102 kann sich von der dargestellten unterscheiden, und sie kann sich in der Proportion zu der Tiefe B der Nut unterscheiden, die als der Durchschnitt der Höhe der Seitenwände 101 und 102 definiert ist. In einigen Ausführungsbeispielen kann das Verhältnis A:B zum Beispiel ungefähr 2,5:1 sein, und in anderen Ausführungsbeispielen kann es kleiner als dieses sein. Zum Beispiel kann das Verhältnis kleiner sein als 2:1 oder sogar 1,5:1. Bei weiteren Ausführungsbeispielen kann ein minimales Verhältnis 0,5:1; 0,75:1 oder 1:1 sein. Bei Ausführungsbeispielen, bei denen die Seitenwände 101 und 102 nicht parallel sind, kann das Maß A die maximale Breite der Nut 100 oder die Breite der Mündung der Nut sein. In ähnlicher Weise kann bei Ausführungsbeispielen, bei denen die Basis 103 nicht senkrecht zu der Seitenwand 101 und/oder 102 ist, das Maß B die maximale Tiefe der Nut sein, die von der Mündung der Nut gemessen wird.
Das Gesamtmaß der Nut 100 kann in gewissem Maße von dem Maß der Dichtnabe 80 abhängen. Bei üblichen Ausführungsbeispielen kann die Dichtnabe 80 einen Durchmesser ungefähr zwischen 15 mm und 40 mm haben, aber Durchmesser außerhalb dieses Bereiches sind auch möglich.
Es ist offensichtlich, dass die exakte Form der Ölnut 97 verändert werden kann. Zum Beispiel kann sich bei einigen Gehäusedesigns des Turboladerlagers die Ölnut nahezu um 360° um die Welle erstrecken, und bei anderen kann sich die Nut über einen kleineren Winkel erstrecken. Die Einzelheiten der Ölnut 97 können vollständig herkömmlich sein. Alternativ kann die Ölnut 97 dadurch abgewandelt werden, dass die Seitenwände der Nut und insbesondere die innere Seitenwand angewinkelt werden, wodurch bei einigen Ausführungsbeispielen die Ölsammelwirkung verbessert wird.
Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel liegen die Seitenwände 101 und 102 an konischen Flächen, die eine konische Fläche schneiden, an der die Bodenwand 103 liegt (und die außerdem eine konische Fläche schneiden, die die Ränder 105 und 106 enthält). Bei alternativen Ausführungsbeispielen kann die Basis 103 konkav oder sogar konvex sein, und sie kann von irgendeiner besonderen konischen Fläche weg gekrümmt sein. Bei weiteren Ausführungsbeispielen kann die Seitenwand 101 und/oder die Seitenwand 102 konkav oder konvex oder von irgendeiner besonderen konischen Fläche weg gekrümmt sein. Zum Beispiel können die Wände 101, 102 und 103 durch eine einzige konkave Wand ersetzt werden, wie dies in der 7 schematisch dargestellt ist. Bei einer Nut, die so konfiguriert ist, wie dies in der 7 gezeigt ist, hat die Nut weiterhin eine Mündung 107, die zwischen einem ringartigen Rand 105 und einem ringartigen Rand 106 definiert ist, die an einer konischen Fläche liegen, die eine zylindrische Fläche, welche die Dichtnabenwand 104 enthält, bzw. die radiale Ebene schneidet, die die ringartige Seite 80a enthält. Obwohl sie im dargestellten Querschnitt gekrümmt ist, kann die Nut ein Gesamtmaß haben, das weitestgehend den verschiedenen möglichen Relativmaßen der Nut 100 gemäß den 6a und 6b entspricht.
Auch wenn bei den Ausführungsbeispielen der Erfindung, die in den 6a, 6b und 7 dargestellt sind, die Ölschleudernut einen einheitlichen Querschnitt um ihren Umfang hat, kann sich bei anderen Ausführungsbeispielen der Querschnitt ändern. Zum Beispiel kann die Nut breiter oder tiefer an gewissen Umfangspositionen als an anderen Umfangspositionen sein. In ähnlicher Weise können sich die Form der Nutwände und/oder ihre Orientierung relativ zueinander um den Umfang der Nut ändern. In ähnlicher Weise können sich der Radius des jeweiligen Randes 105 und 106 und/oder die Breite der Mündung 107 der Nut um den Umfang der Nut ändern.
Andere mögliche Abwandlungen der Ausführungsbeispiele der Erfindung, die vorstehend beschrieben sind, werden für den Fachmann in einfacher Weise ersichtlich.
ZUSAMMENFASSUNG
Eine Turbomaschine hat ein Gehäuse (71), das einem Lagerhohlraum (71) und eine Turbinenkammer (77a) definiert, die durch eine erste Wand getrennt sind. Ein Hitzeschild (72) ist zwischen der ersten Wand und dem Turbinenrad (77) angeordnet, wobei ein Hitzeschildhohlraum (78) zwischen der ersten Wand und dem Hitzeschild (72) definiert ist. Die Welle (81) erstreckt sich durch einen Kanal (85), der zumindest teilweise durch eine erste Öffnung (86) in der Wand und eine zweite Öffnung (87) in dem Hitzeschild (72) definiert ist. Eine erste Dichtung (88) ist zwischen der Welle (81) und der ersten Öffnung (86) vorgesehen. Das Gehäuse definiert einen ersten Gaskanal (79), der mit dem Hitzeschildhohlraum (78) für eine Verbindung mit einer Druckquelle zum Anheben eines Drucks innerhalb des Hitzeschildhohlraums (78) in Verbindung ist. Ein zweiter Kanal (92) ist zwischen dem Hitzeschildhohlraum (78) und dem Kanal (85) vorgesehen, wobei der zweite Kanal zu dem Kanal (85) an der zu der Lagerbaugruppe (82) entgegengesetzten Seite der ersten Dichtung (88) mündet. Eine zweite Dichtung (89) ist zwischen der Welle (81) und der zweiten Öffnung (87) vorgesehen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- US 7086842 [0029, 0034, 0065]
- US 6905316 [0036, 0037, 0040]

Claims

Turbomaschine mit: einem Gehäuse, das einen Lagerhohlraum und eine Turbinenkammer definiert, die durch eine erste Wand getrennt sind; einem Turbinenrad, das an einer Welle für eine Drehung innerhalb der Turbinenkammer um eine Maschinenachse angebracht ist; einem Hitzeschild, das zwischen der ersten Wand und dem Turbinenrand angeordnet ist, wobei ein Hitzeschildhohlraum zwischen der ersten Wand und dem Hitzeschild definiert ist; der Welle, die sich von der Turbinenkammer in den Lagerhohlraum durch einen Kanal erstreckt, der zumindest teilweise durch eine erste Öffnung in der Wand und eine zweite Öffnung in dem Hitzeschild definiert ist, wobei die Welle für eine Drehung an einer Lagerbaugruppe angebracht ist, die in dem Lagerhohlraum vorgesehen ist; einer ersten Dichtung zwischen der Welle und der ersten Öffnung ; dem Gehäuse, das den ersten Gaskanal definiert, der mit dem Hitzeschildhohlraum für eine Verbindung mit einer Druckquelle zum Anheben des Drucks innerhalb des Hitzeschildhohlraums in Verbindung ist; einem zweiten Kanal zwischen dem Hitzeschildhohlraum und dem Kanal, wobei der zweite Kanal zu dem Kanal an der zu der Lagerbaugruppe entgegengesetzten Seite der ersten Dichtung mündet; und einer zweiten Dichtung, die zwischen der Welle und der zweiten Öffnung vorgesehen ist.
Turbomaschine gemäß Anspruch 1, wobei die erste Dichtung einen oder mehrere Dichtringe aufweist.
Turbomaschine gemäß Anspruch 2, wobei zumindest ein Dichtring einen sich überlappenden Spaltring aufweist.
Turbomaschine gemäß Anspruch 2 oder Anspruch 3, wobei der Dichtring oder jeder der Dichtringe in einer ringartigen Nut angebracht sind, die durch die Welle definiert ist.
Turbomaschine gemäß Anspruch 5, wobei die zweite Dichtung einen oder mehrere Dichtringe aufweist.
Turbomaschine gemäß Anspruch 5 oder Anspruch 6, wobei der Dichtring oder jeder Dichtring einen Spaltring aufweist, der innerhalb einer ringartigen Nut gesetzt ist, die durch die Welle definiert ist.
Turbomaschine gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei der zweite Kanal einen ringartigen Spalt aufweist, der zwischen der Wand und dem Hitzeschild zwischen der ersten und der zweiten Öffnung definiert ist.
Turbomaschine gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der zweite Kanal einen oder mehrere sich in Umfangsrichtung erstreckende Schlitze aufweist, die um den Kanal herum definiert sind.
Turbomaschine gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der zweite Kanal eine oder mehrere Öffnungen aufweist, die in den Kanal und den Hitzeschildhohlraum münden.
Turbomaschine gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei sich der erste Kanal zwischen dem Hitzeschildhohlraum und einer äußeren Fläche erstreckt, die durch das Gehäuse definiert ist.
Turbomaschine gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei der erste Kanal eine Vielzahl an Kanälen aufweist.
Turbomaschine gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Welle einen Abschnitt mit vergrößertem Durchmesser aufweist, der innerhalb des Kanals angeordnet ist und sich dort dreht.
Turbomaschine gemäß Anspruch 13, wobei der Abschnitt mit vergrößertem Durchmesser der Welle eine sich im allgemeinen radial erstreckende ringartige Wand definiert, die der Lagerbaugruppe zugewandt ist.
Turbomaschine gemäß Anspruch 14, wobei die ringartige Wand so konfiguriert ist, dass sie Öl von der Welle radial weg treibt, wenn sich die Welle dreht.
Turbomaschine gemäß Anspruch 15, wobei das Gehäuse eine im wesentlichen ringartige Ölsammelnut innerhalb des Lagerhohlraums definiert, die die radiale Wand in Umfangsrichtung umgibt.
Turbomaschine gemäß Anspruch 15 oder 16, wobei der Abschnitt mit vergrößertem Durchmesser der Welle eine radial äußere Umfangsfläche hat, die sich im allgemeinen axial erstreckt, und wobei sich eine Ölschleudernut in den vergrößerten Abschnitt erstreckt, wobei die Ölschleudernut eine Mündung hat, die zwischen einem ersten sich in Umfangsrichtung erstreckenden Rand und einem zweiten sich in Umfangsrichtung erstreckenden Rand definiert ist, wobei der zweite Rand sowohl radial als auch axial von dem ersten Rand beabstandet ist.
Turbomaschine gemäß Anspruch 17, wobei sich der erste und der zweite Rand um den gesamten Umfang des Abschnitts mit großem Durchmesser der Welle erstrecken.
Turbomaschine gemäß Anspruch 17 oder 18, wobei die Mündung der Nut an der sich radial erstreckenden ringartigen Wand mündet, um den ersten Rand zu definieren, und wobei sie an der sich im allgemeinen axial erstreckenden Umfangsfläche mündet, um den zweiten Rand zu definieren.
Turbomaschine gemäß einem der Ansprüche 17 bis 19, wobei die Nut eine Basis, eine erste Seitenwand, die sich von dem ersten Rand zu der Basis erstreckt, und eine zweite Seitenwand aufweist, die sich von dem zweiten Rand zu der Basis erstreckt.
Turbomaschine gemäß Anspruch 20, wobei die erste und die zweite Seitenwand im allgemeinen parallel zueinander sind, und wobei die Basis im allgemeinen senkrecht zu der ersten und der zweiten Seitenwand ist.
Turbomaschine gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Hitzeschild einstückig mit der Gehäusewand ausgebildet ist.
Turbomaschine gemäß Anspruch 22, wobei zumindest ein Abschnitt des Gehäuses, der das Hitzeschild und die Wand definiert, ein einziges Gussteil ist.
Turbomaschine gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei sich die Wand von der ersten Öffnung in einer im Allgemeinen radialen Richtung relativ zu der Welle weg erstreckt.
Turbomaschine gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei sich das Hitzeschild von der zweiten Öffnung in einer im Allgemeinen radialen Richtung relativ zu der Welle weg erstreckt.
Turbomaschine gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei sich die Wand und das Hitzeschild treffen, um einen radial äußeren Umfangsrand des Hitzeschildhohlraums zu definieren.
Turbomaschine gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei der erste Kanal mit einer Druckluftquelle verbunden ist.
Turbomaschine gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Turbomaschine ein Turbolader ist, der ein Turbinengehäuse, das die Turbinenkammer definiert, und ein Lagergehäuse aufweist, das den Lagerhohlraum definiert.
Turbomaschine gemäß einem der Ansprüche 1 bis 27, wobei die Turbomaschine eine Leistungsturbine ist, die ein Turbinengehäuse, das die Turbinenkammer definiert, und ein Lagergehäuse aufweist, das den Lagerhohlraum definiert.
Turbomaschine gemäß Anspruch 28 oder 29, wobei die Wand eine Wand des Lagergehäuses ist.
Verfahren zum Reduzieren eines Öllecks in einer Turbomaschine mit einem Gehäuse, das einen Lagerhohlraum und eine Turbinenkammer definiert, die durch eine erste Wand getrennt sind; einem Turbinenrad, das an einer Welle für eine Drehung innerhalb der Turbinenkammer um eine Maschinenachse angebracht ist; einem Hitzeschild, das zwischen der ersten Wand und dem Turbinenrad angeordnet ist, wobei ein Hitzeschildhohlraum zwischen der ersten Wand und dem Hitzeschild definiert ist; die Welle, die sich von der Turbinenkammer in den Lagerhohlraum durch einen Kanal erstreckt, der zumindest teilweise durch eine erste Öffnung in der Wand und eine zweite Öffnung in dem Hitzeschild definiert ist, wobei die Welle für eine Drehung an einer Lagerbaugruppe angebracht ist, die in dem Lagerhohlraum vorgesehen ist; einer ersten Dichtung zwischen der Welle und der ersten Öffnung; einem zweiten Kanal zwischen dem Hitzeschildhohlraum und dem Kanal, wobei der zweite Kanal zu dem Kanal an der zu der Lagerbaugruppe entgegengesetzten Seite der ersten Dichtung mündet; und wobei das Verfahren ein Zuführen von mit Druck beaufschlagter Luft zu dem Hitzeschildhohlraum aufweist, um den Druck innerhalb des Hitzeschildhohlraums anzuheben und um dadurch den Druck innerhalb des Kanals an der zu der Lagerbaugruppe entgegengesetzten Seite der ersten Dichtung anzuheben.