DE102004039473A1

DE102004039473A1 - Dichtung

Info

Publication number: DE102004039473A1
Application number: DE200410039473
Authority: DE
Inventors: Hermann Burmester; Christian Dr.-Ing. Sleziona
Original assignee: IHI Charging Systems International GmbH
Current assignee: IHI Charging Systems International GmbH
Priority date: 2004-08-14
Filing date: 2004-08-14
Publication date: 2006-03-23

Abstract

Die Erfindung geht von einer Dichtung mit einem Dichtring aus, der einen Dichtspalt zwischen einem Turbinengehäuse und einer Konturhülse einer Abgasturbine abdichtet und axiale sowie radiale Bewegungen zwischen dem Turbinengehäuse und der Konturhülse zulässt. Es wird vorgeschlagen, dass der Dichtring ein geschlossener Metallring ist, der einen im Wesentlichen z-förmigen oder s-förmigen Querschnitt aufweist, wobei jeweils ein Endstück des Dichtrings mit einer Anlagefläche an dem Turbinengehäuse bzw. der Konturhülse dichtend anliegt, während ein die Endstücke verbindender, elastisch nachgiebiger Mittelsteg geneigt zur Rotationsachse der Abgasturbine verläuft.

Description

Die Erfindung betrifft eine Dichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Wegen der nicht rotationssymmetrischen Verteilung der Massen und der erheblichen örtlichen Temperaturdifferenzen, die sich unter dem Einfluss der heißen Auspuffgase einstellen und sich zudem noch zwischen den einzelnen Betriebsphasen stark ändern, ist von einer starken und eventuell ungleichförmigen Verformung des Turbinengehäuses einer Abgasturbine auszugehen. Diese Einflüsse wirken sich wegen der geringeren Wandstärken bei Blechturbinengehäusen im Vergleich zu gegossenen Turbinengehäusen stärker aus. Demgegenüber ist eine Verstelleinheit zum Verstellen von Leitschaufeln im Wesentlichen rotationssymmetrisch aufgebaut, sodass bei ihr eher eine gleichmäßige Verformung zu erwarten ist. Dies stellt an die Abdichtung des Turbinengehäuses mit Ihrem Spiralkanal gegenüber einer Konturhülse, die die Laufschaufeln seitlich mit Spiel begrenzt und häufig als Gegenlagerring für den Verstellmechanismus der Leitschaufeln dient, erhöhte Anforderungen derart, dass sowohl axiale wie auch radiale Bewegungen zwischen dem Turbinengehäuse mit dem mit ihm verbundenen Auslass gegenüber der Konturhülse möglich sein müssen, ohne dass die Abdichtung zwischen diesen Teilen aufgehoben wird.
Aus der US 2 860 827 A ist ein Turbolader mit einer Abgasturbine und einem Verdichter bekannt, wobei das Laufrad mit den Laufschaufeln der Abgasturbine über eine Antriebswelle das Laufrad eines Verdichters antreibt. Die Antriebswelle ist in einem Lagergehäuse gelagert, das Teil eines Turbinengehäuses ist. Die Laufschaufeln werden seitlich mit Spiel von einer Konturhülse begrenzt, die mit einem axial gerichteten Ende über zwei radiale Dichtringe dichtend in einen zylindrischen Abschnitt eines Spiralgehäuses am Austritt der Abgasturbine eingesetzt ist. Die Dichtringe sind in einer Ringnut der Konturhülse gelagert und gleiten mit ihren nach außen weisenden Umfangsflächen an einer Gegenfläche des zylindrischen Abschnitts. Zwischen dem sich radial nach außen erstreckenden Teil der Konturhülse und einem Lagerring sind radial nach außen an die Laufschaufeln anschließend Leitschaufeln vorgesehen, die in dem Lagerring drehbar gelagert sind und durch einen im Lagergehäuse gelagerten Verstellmechanismus verstellt werden können. Die Konturhülse und der Lagerring sind durch Schrauben miteinander verschraubt und werden durch Abstandsrippen auf Distanz gehalten.
Ein flexibler Montagering hält und zentriert den Lagerring im Gehäuse. Hierzu besitzt der Montagering ein z-förmiges Querschnittprofil, wobei ein radial nach außen gerichteter, äußerer Flansch in die Trennfuge zwischen dem Lagergehäuse und dem Spiralgehäuse eingreift und mit den Gehäuseschrauben gehalten wird, während ein innerer, radial gerichteter Flansch den Lagerring am äußeren Umfang übergreift und mit dem Lagerring verschraubt ist. Zwischen dem inneren und äußeren Flansch besitzt der Montagering einen relativ dünnen zylindrischen Teilabschnitt, durch den die Konturhülse mit dem Leitapparat flexibel gehalten wird, sodass sie in Verbindung mit der radialen Dichtung am Austritt der Abgasturbine in der Lage ist, sich thermisch auszudehnen, ohne die Verstelleinrichtung der Leitschaufeln zu verspannen. Allerdings besteht die Gefahr, dass sich durch Korrosion die Dichtringe an der Gegenfläche festsetzen und eine relative Bewegung zwischen dem Spiralgehäuse und der Konturhülse verhindern oder durch die Gleitbewegung die Dichtflächen verschleißen und undicht werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine thermisch hoch belastbare, betriebssichere, standfeste Dichtung zu schaffen, die axiale und radiale Wärmedehnungen aufnehmen kann, ohne dabei große Spannungen in den angrenzenden Bauteilen zu erzeugen. Sie wird gemäß der Erfindung durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Nach der Erfindung ist der Dichtring ein geschlossener Metallring, der einen im Wesentlichen z-förmigen oder s-förmigen Querschnitt aufweist, wobei jeweils ein Endstück des Dichtrings mit einer Anlagefläche an dem Turbinengehäuse bzw. der Konturhülse dichtend anliegt, während ein die Endstücke verbindender, elastisch nachgiebiger Mittelsteg geneigt zur Rotationsachse der Abgasturbine verläuft. Der Dichtring aus Metall ist sehr temperaturbeständig. Da sein elastischer Mittelsteg sowohl radiale als auch axiale Bewegungen elastisch aufnehmen kann, brauchen die Anlageflächen an seinen Enden nicht auf den Gegenflächen der angrenzenden Bauteile zu gleiten, sodass sie keinem Verschleiß unterliegen und ihre Dichtfunktion über die gesamte Lebensdauer unverändert bleibt.
Der geschlossene Metallring ist einfach in einen Ringraum zu montieren, der einerseits von einem axialen Vorsprung und einem radialen Absatz der Konturhülse und andererseits von einer radialen Schulter und einem axialen Zylinderabschnitt des Turbinengehäuses begrenzt ist. Der Ringraum besitzt einen annähernd rechteckigen Querschnitt und ist in einer Diagonalen geteilt, sodass die ihn bildenden Bauteile bei der Montage ineinander gefügt werden können. Dabei kommt ein Ende des Dichtrings an dem axialen Vorsprung und/oder dem radialen Absatz der Konturhülse zur Anlage, während das andere Ende des Dichtrings an der radialen Schulter und/oder dem axialen zylindrischen Abschnitt des Turbinengehäuses anliegt. An jedem Ende ist mindestens eine Anlagefläche so ausgebildet, dass sie unter einer Vorspannung dichtend an der Gegenfläche anliegt.
Ist das Turbinengehäuse in einem Gießverfahren hergestellt, wird zweckmäßigerweise der Auslasskanal mit der radialen Schulter und mit einem axialen zylindrischen Abschnitt angegossen. Ist das Turbinengehäuse aus Blech gefertigt, ist es zweckmäßig, dass der axiale, zylindrische Abschnitt von einem im Wesentlichen zylindrischen Auslassstutzen aus Blech und die Schulter von einer Reduzierhülse gebildet werden. Die Reduzierhülse wird in den Auslassstutzen eingesetzt und durch einen Preßsitz oder durch Schweißen fixiert. In vorteilhafter Weise schließt sich die Kontur der Reduzierhülse strömungsgünstig an die innere Kontur der Konturhülse an, sodass auf der Abströmseite der Reduzierhülse Verwirbelungen weit gehend vermieden werden.
Die Enden des Dichtrings können entsprechend den Gegebenheiten gestaltet werden. Sie können im Querschnitt gerade Schenkel bilden, die an der jeweiligen Gegenfläche anliegen, z.B. an dem axialen Vorsprung oder dem radialen Absatz der Konturhülse bzw. der radialen Schulter oder dem axialen, zylindrischen Abschnitt des Turbinengehäuses. Bei einer vorteilhaften Ausführung sind die Enden des Dichtrings gebogen, sodass sich eine linienförmige, leicht zu beherrschende Kontaktfläche zur Gegenfläche des angrenzenden Bauteils ergibt.
Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Die Zeichnung, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
Dabei zeigen:
1 einen schematischen Längsschnitt durch ein Turbinengehäuse einer Abgasturbine mit einer erfindungsgemäßen Dichtung,
2 eine Variante zu 1 in einem vergrößerten Teillängsschnitt,
3 einen Teillängsschnitt durch einen Dichtungsring einer erfindungsgemäßen Dichtung und
4 eine Variante zu 3.
Ein Turbinengehäuse 10 nach 1 ist aus Blech gefertigt. Es besitzt ein Spiralgehäuse 11, das einen Spiralkanal 14 umfasst und stirnseitig eine radial gerichtete Grundplatte 15 aufweist, mit der es an seinem äußeren Flansch 12 verschweißt ist. Ein innerer Flansch 13 des Spiralgehäuses 11 ist mit einem Flansch 22 eines Auslassstutzens 21 verschweißt oder sonst wie geeignet verbunden.
Die Grundplatte 15 umfasst radial eine Lagerplatte 16 für Leitschaufeln 17, die über eine nicht näher dargestellte Verstelleinheit verstellbar sind. Auf der der Grundplatte 15 gegenüberliegenden Seite sind die Leitschaufeln 17 in einer als Gegenlagerring dienenden Konturhülse 18 gelagert. Diese grenzt mit ihrer inneren Kontur mit geringem Spiel an die Laufschaufeln eines nicht dargestellten Laufrads. Die Konturhülse 18 hat einen geringen axialen Abstand vom Spiralkanal 11 bzw. seinem inneren Flansch 13. Der Spalt wird von einem Dichtring 24 abgedichtet, der in einem Ringraum 36 vorgesehen ist. Der Ringraum 36 wird zu einer Rotationsachse 35 hin von einem Vorsprung 19 und zu den Leitschaufeln 17 hin von einem Absatz 20 der Konturhülse 18 gebildet. Dem Absatz 20 gegenüber bildet eine Reduzierhülse 23 eine Schulter 37, während radial nach außen, gegenüber dem Vorsprung 19 der Auslassstutzen 21 einen zylindrischen Abschnitt 38 besitzt.
Der Dichtring 24 besitzt an einem Ende einen parallel zur Rotationsachse 35 verlaufenden, inneren Schenkel 28 und an seinem anderen Ende einen äußeren, ebenfalls zur Rotationsachse 35 parallel verlaufenden, äußeren Schenkel 29. Ein mittlerer Steg 30 verbindet beide Schenkel 28, 29. Er verläuft geneigt zur Rotationsachse 35 und ist elastisch, um die axialen und radialen thermisch bedingten Verschiebungen zwischen dem Turbinengehäuse 10 bzw. dem Abgasstutzen 21 einerseits und der Konturhülse 18 andererseits ausgleichen zu können. Dabei liegt der innere Schenkel 28 mit einer Anlagefläche 34 am Vorsprung 19 der Konturhülse 18 und der äußere Schenkel 29 mit seiner Anlagefläche 34 an dem zylindrischen Abschnitt 38 des Auslassstutzens 21 dichtend an. Der Dichtring 24 kann mit seinen Stirnseiten axial zwischen der Schulter 37 und dem Absatz 20 festgelegt sein, da der Spannungsausgleich durch den elastischen Mittelsteg 30 erfolgt und die Anlageflächen 34 nicht an den Gegenflächen des Vorsprungs 19 bzw. des zylindrischen Abschnitts 38 gleiten.
4 zeigt eine weitere Ausführung eines Dichtrings 24, bei dem das eine Ende durch einen inneren Bogen 31 und das andere Ende durch einen äußeren Bogen 32 gebildet wird. Ein Mittelsteg 33 verbindet beide Bögen 31, 32.
2 zeigt eine Variante mit einem gegossenen Turbinengehäuse 25, das einen angegossenen Auslasskanal 26 besitzt. In das Turbinengehäuse 25 ist ebenfalls eine Lagerplatte 16 für Leitschaufeln 17 und eine Konturhülse 18 eingesetzt. Der Vorsprung 19 und der Absatz 20 der Konturhülse 18 bilden zusammen mit einem zylindrischen Abschnitt 38 und einer Schulter 37 des Turbinengehäuses 25 den Ringraum 36, in dem der Dichtring 24 in der Ausführung nach 4 eingesetzt ist. Dabei liegt die Anlagefläche 34 des inneren Bogens 31 an dem Vorsprung 19 der Konturhülse 18 an, während die Anlagefläche 34 des äußeren Bogens 32 an dem zylindrischen Abschnitt 38 des Turbinengehäuses 25 anliegt. Durch die Bogenform ergeben sich schmale, linienförmige Kontaktflächen mit einer guten Dichtfunktion. Bei unterschiedlichen Wärmedehnungen zwischen der Konturhülse 18 sowie der mit ihr verbundenen Teile und dem Turbinengehäuse 25 gleicht der elastische Steg 33 die Bewegungen elastisch nachgiebig aus, sodass in allen Betriebszu ständen eine sichere Abdichtung über die gesamte Lebensdauer der Abgasturbine gewährleistet ist.

Claims

Dichtung mit einem Dichtring, der einen Dichtspalt zwischen einem Turbinengehäuse und einer Konturhülse einer Abgasturbine abdichtet und axiale sowie radiale Bewegungen zwischen dem Turbinengehäuse und der Konturhülse zulässt, dadurch gekennzeichnet, dass der Dichtring (24) ein geschlossener Metallring ist, der einen im Wesentlichen z-förmigen oder s-förmigen Querschnitt aufweist, wobei jeweils ein Endstück (28, 29; 31, 32) des Dichtrings (24) mit einer Anlagefläche (34) an dem Turbinengehäuse (10, 25) bzw. der Konturhülse (18) dichtend anliegt, während ein die Endstücke (28, 29; 31, 32) verbindender, elastisch nachgiebiger Mittelsteg (30, 33) geneigt zur Rotationsachse (35) der Abgasturbine verläuft.
Dichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Dichtring (24) in einem Ringraum (36) untergebracht ist, der einerseits von einem axialen Vorsprung (19) und einem radialen Absatz (20) der Konturhülse (18) und andererseits von einer radialen Schulter (37) und einem axialen, zylindrischen Abschnitt (38) des Turbinengehäuses (10, 25) begrenzt ist.
Dichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Turbinengehäuse (10) aus Blech gefertigt ist, wobei der axiale, zylindrische Abschnitt (38) von einem im Wesentlichen zylindrischen Auslassstutzen (21) und die Schulter (37) von einer Reduzierhülse (23) gebildet werden.
Dichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass sich die innere Kontur der Reduzierhülse (23) strömungsgünstig an die innere Kontur der Konturhülse (18) anschließt.
Dichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der Dichtring (24) an seinen Enden einen inneren Schenkel (28) und einen äußeren Schenkel (29) aufweist, die axial und parallel zueinander verlaufen und durch den Mittelsteg (30) verbunden sind.
Dichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Enden des Dichtrings (24) als ein innerer Bogen (31) und ein äußerer Bogen (32) ausgebildet sind, die durch den Mittelsteg (33) miteinander verbunden sind.