DE102004055429B3 - Dichtungseinrichtung für eine insbesondere im Stillstand geschmierte Lagerung einer Rotorwelle - Google Patents

Dichtungseinrichtung für eine insbesondere im Stillstand geschmierte Lagerung einer Rotorwelle Download PDF

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Um die Dichtheit einer Dichtungseinrichtung für eine insbesondere im Stillstand geschmierte Lagerung einer Rotorwelle (1), die ein Lagergehäuse insbesondere eines Abgasturboladers gegen ein zugeführtes Schmiermittel in axialer Richtung abdichtet, zu verbessern, ist vorgesehen, dass auf der Rotorwelle (1) eine erste Dichtung (11) in Form eines Spaltes, eines Labyrinths oder eines Kolbenrings (11) und eine zweite Dichtung (12) in Form eines engen Spaltes (33) oder eines Labyrinths zwischen sich einen sich ringförmig um den Umfang der Rotorwelle (1) erstreckenden Ölablaufkanal (13, 14) einschließt, der mittels einer gehäuseseitigen Ölablaufnut (13) und einer in achsgleicher Position angeordneten wellenseitigen Ölablaufnut (14) aufgebaut ist, und dass im Ölablaufkanal (13, 14) ein in radialer Richtung der Rotorwelle (1) mit einem Ende frei in den ringförmigen Ölablaufkanal (13, 14) ragender ringförmiger Dichtsteg (15) vorgesehen ist, der eine in axialer Richtung wirkende Barriere für in den Ölablaufkanal eindringendes Schmiermittel darstellt.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Dichtungseinrichtung für eine geschmierte Lagerung einer Rotorwelle, die ein Lagergehäuse gegen ein zugeführtes Schmiermittel in axialer Richtung abdichtet gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • Wellendichtungen sind schon seit langem bekannt und sollen beispielsweise unter anderem verhindern, dass insbesondere Abgas aus dem Turbinengehäuse über unvermeidliche Leckstellen, bzw. Lagerspiele, d. h. minimale Spalte zwischen Lagergehäuse oder Lagerkörper und Welle in das Lagergehäuse strömt und/oder dass bei höheren Drehzahlen und höherem Ladedruck angesaugte Luft oder bei einem Gasmotor das Gas-Luft-Gemisch aus dem Verdichtergehäuse über die verdichterseitige Dichtungseinrichtung ins Lagergehäuse strömt. Außerdem soll bekanntlich auch verhindert werden, dass bei niedrigen Ladedrücken und hohen Drehzahlen ölhaltiges Luft-/Abgasgemisch aus dem jeweiligen Lagergehäuse in Richtung Turbinen- und/oder Verdichtergehäuse strömt und dem Verbrennungsmotor zugeführt wird.
  • Die Dichtungseinrichtung kann eine Labyrinthdichtung oder ein in dieser Weise verwendeter Kolbenring sein. So beschreibt beispielsweise die DE 25 13 582 C2 eine Wellendichtung im Wellendichtungsgehäuse eines Abgasturboladers, das zwischen einem Turbinengehäuseteil für höheren Druck und einem Turbinengehäuseteil für niedrigeren Druck angeordnet ist und von einem Arbeitsmittel-Leckstrom (Fluid) axial durchströmt wird.
  • Diese Wellendichtung bildet ein Labyrinth mit in Strömungsrichtung des Fluids hintereinander angeordneten Drosselstellen aus, die wiederholte Umlenkung des Fluids erzwingen. Das Labyrinth kann bekanntlich auch mittels eines im Lagergehäuse oder Lagerkörpers vorgesehenen Kolbenrings realisiert sein, der z. B. in eine Nut der Rotorwelle eintaucht.
  • Solche Dichtungseinrichtungen haben bisher den Nachteil, dass während dem Nach- bzw. Vorschmiervorgang insbesondere im Zusammenhang mit einem Saugzug (Unterdruck) im Turbinen- und Verdichterströmungsraum Schmieröl aus dem mittleren Lagergehäuse gesaugt wird. Dies kann eine erhebliche Beschädigung bis hin zum Totalschaden des Abgasturboladers zur Folge haben.
  • Desweiteren ist beispielsweise aus der DE 17 75 833 A eine Dichtungseinrichtung für eine im Stillstand schmierbare Lagerung einer Rotorwelle, die ein Lagergehäuse gegen ein zugeführtes Schmiermittel in axialer Richtung abdichtet, wobei auf der Rotorwelle erste Dichtungen in Form eines Spaltes, eines Labyrinths und eines Rings und zweite Dichtungen in Form eines Längenspaltes und eines Labyrinths zwischen sich zwei sich ringförmig um den Umfang der Rotorwelle erstreckende Ölablaufkanäle einschließen, die mittels einer gehäuseseitigen Ölablaufnut bzw. einer in achsgleicher Position angeordneten wellenseitigen Ölablaufnut aufgebaut sind und wobei in einem Ölablaufkanal ein in radialer Richtung der Rotorwelle mit einem Ende frei in den ringförmigen Ölablaufkanal ragender ringförmiger Dichtsteg vorgesehen ist, der eine in axialer Richtung wirkende Barriere für in den Ölablaufkanal eindringendes Schmiermittel darstellt, bekannt.
    •
  • Aufgabe vorliegender Erfindung ist es deshalb, die Dichtheit einer Dichtungseinrichtung eingangs beschriebener Art, die insbesondere bei einem Abgasturbolader mit einer Rotorwelle wie ebenfalls eingangs beschrieben angewendet werden kann, insbesondere im Stillstand der Rotorwelle zu verbessern.
  • Erfindungsgemäß wird die genannte Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
  • Dadurch wird vermieden, dass eben während dem Nach- bzw. Vorschmiergang insbesondere im Zusammenhang mit Saugzug (Unterdruck) Schmieröl aus dem Lagergehäuse durch die zweite Dichtung kommend über den Ölablaufkanal zur ersten Dichtung gelangen kann. Somit wird eine Verbesserung der Öldichtheit im Stillstand erreicht, so dass unter den zu erwartenden Betriebsbedingungen keine Leckage auftreten kann.
  • In besonders vorteilhafter Weise ist der Dichtsteg in der wellenseitigen Ölablaufnut an der Rotorwelle angeformt und dessen Höhe bis zum radial nach außen gerichteten Ende maximal mit der Gehäusebohrung fluchtent oder kürzer ausgeführt. Es kann aber auch der Dichtsteg in der gehäuseseitigen Ölablaufnut angeformt sein, wobei dann dessen Höhe bis zum radial nach innen gerichteten Ende maximal mit der Gehäusebohrung fluchtent oder eben kürzer ausgeführt ist.
  • Des weiteren ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die zweite Dichtung in Form einer die wellenseitige Ölablaufnut begrenzenden und nach radial außen gerichtet gegenüber der Gehäusebohrung verkürzten Wandung und einer sich dazu in achsgleicher Position befindlichen, die gehäuseseitige Ölablaufnut begrenzenden und nach radial innen gerichtet gegenüber der Gehäusebohrung entsprechend verlängerten Wandung ausgeführt ist, wobei beide Wandungen einen Spalt einschliessen, so dass das freie Ende des Dichtsteges in radialer Richtung diesen Spalt überdeckt. D.h., die Gehäusebohrung hat an der Achsposition der zweiten Dichtung einen kleineren Durchmesser als der Durchmesser ist, den die Rotorwelle mit angeformten Dichtsteg erreicht.
  • Es sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass es nicht wesentlich ist, ob nun Dichtsteg und Wandungen separate Bauteile sind, oder als angedrehte oder angefräste Bestandteile von Gehäuse oder Rotorwelle ausgebildet sind.
  • Damit in vorteilhafter Weise im Anwendungsfall des Abgasturboladers sichergestellt wird, dass das Schmiermittel, d. h. Öl um den Umfang der ringförmigen Ölablaufnut läuft und über einen unteren Anstich ablaufen kann, ist die zweite Dichtung in axialer Richtung zwischen dem mittleren Lagergehäuse und der ersten Dichtung der turbinengehäuseseitigen Lageranordnung und/oder zwischen dem mittleren Lagergehäuse und der ersten Dichtung der verdichterseitigen Lageranordnung angeordnet.
    •
  • Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung am Anwendungsbeispiel eines Abgasturboladers anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigt
  • 1 einen Axialschnitt durch die wesentlichen Teile eines Abgasturboladers, und
  • 2 eine Detaildarstellung X gemäss der 1 einer erfindungsgemässen Dichtungseinrichtung der Rotorwelle innerhalb einer turbinengehäuseseitigen Lageranordnung.
  • Wie 1 zeigt, weist ein Abgasturbolader in üblicher Weise ein Turbinengehäuse 2 und ein damit verbundenes Verdichtergehäuses 5 auf, in diese eine Rotorwelle 1 eingebracht ist. Das Turbinengehäuse 2 weist einen etwa ringförmigen Zufuhrkanal 28 für Abgas auf, um dem Turbinenrad 4 Abgas aus einem Verbrennungsmotor zuzuführen. Auf diese Weise wird über die Rotorwelle 1 ein auf der Rotorwelle 1 am anderen Ende sitzendes Verdichterrad 7 angetrieben. Dieses Verdichterrad 7 saugt Luft über einen ihn umgebenden Zufuhrkanal 29 an, verdichtet sie und bläst sie wieder aus.
  • Die Rotorwelle 1 ist durch eine Gehäusebohrung 3 hindurch im Turbinengehäuse 2 geführt, wo das Turbinenrad 4 an ihrem Ende befestigt ist. In einem mittleren Lagergehäuse 10 zwischen dem Turbinengehäuse 2 und dem Verdichtergehäuse 5 befinden sich in der Regel die Lager 19, 20 der Rotorwelle 1, denen Schmiermittel mit Überdruck über einen vertikalen Ölzulaufstutzen 26 und davon ausgehende Ölzulaufbohrungen 27 zugeführt wird.
  • Um zu verhindern, dass dieses Schmiermittel aus dem mittleren Lagergehäuse 10 etwa über das Lagerspiel zwischen einem Lagerkörper 19, einer Lagerbüchse 20 und der Rotorwelle 1 zum Turbinengehäuse 2 gelangt, ist die nachfolgend anhand der 2 beschriebene Dichtungseinrichtung vorgesehen.
  • Eine Dichtungseinrichtung beispielhaft innerhalb einer turbinengehäuseseitigen Lageranordnung (analog dazu wäre eine Dichtungseinrichtung einer verdichtergehäuseseitigen Lageranordnung auszugestalten) umfasst eine erste 11 und eine zweite Dichtung 12, die zwischen einer Gehäusewand des Turbinengehäuses 2 und eines Radiallagers 19, 20 der Rotorwelle angeordnet ist. Das Radiallager umfasst bekanntlich einen Lagerkörper 19 des mittleren Lagergehäuses 10, der mittels einer Lagerbüchse 20 an die Rotorwelle 1 angeschlossen ist. In axialer Richtung der Rotorwelle 1 ist zwischen Lagerkörper 19 und Turbinengehäuse 2 ein Innenraum 21 vorgesehen, an diesen sich in Richtung des Turbinengehäuses 2 die zweite Dichtung 12 anschliesst, gefolgt von einer gehäuseseitigen Ölablaufnut 13, die zusammen mit einer wellenseitigen Ölablaufnut 14 einen sich ringförmig über den Umfang der Rotorwelle 1 ersteckenden Ölablaufkanal ausbildet, in diesem ein in radialer Richtung der Rotorwelle 1 mit einem Ende frei in den ringförmigen Ölablaufkanal 13, 14 ragender ringförmiger Dichtsteg 15 angeordnet ist, und daran sich wiederum im axialen Abstand die erste Dichtung 11 in Form eines sich an die Innenwand der Turbinengehäusebohrung 3 anlegenden Kolbenrings 11 anschließt.
  • Der Kolbenring 11 ist zur Abdichtung gegenüber eines eventuell eindringenden Fluids in eine Nut 18 der Rotorwelle 1 oder eines mit ihr verbundenen Drehteils eingelegt. Der Dichtsteg 15 ist in der wellenseitigen Ölablaufnut 14 an der Rotorwelle 1 angeformt, wobei dessen Höhe bis zum radial nach außen gerichteten Ende maximal mit der Gehäusebohrung 3 des Turbinengehäuses 2 fluchtet oder wie hier etwas kürzer ausgeführt ist.
  • Selbstverständlich könnte der Dichtsteg 15 auch in der gehäuseseitigen Ölablaufnut 13 angeordnet sein und dessen Höhe bis zum radial nach innen gerichteten Ende maximal mit der Gehäusebohrung 3 des Turbinengehäuses 2 fluchtend oder eben kürzer ausgeführt sein. In diesem Zusammenhang denkbar wären auch je ein Dichtsteg in der gehäuseseitigen und in der wellenseitigen Ölablaufnut, die in radialer Richtung sich überdeckend zusammenwirken.
  • Zur Ausbildung der zweiten Dichtung 12 ist die wellenseitige Ölablaufnut 14 mit einer dem Turbinenrad 4 abgewandten und nach radial außen gerichtet gegenüber der Flucht der Turbinengehäusebohrung 3 verkürzten Wandung 31 ausgeführt und die gehäuseseitige Ölablaufnut 13 mit einer dem Turbinenrad 4 abgewandten und nach radial innen gerichtet gegenüber der Flucht der Turbinengehäusebohrung 3 entsprechend verlängerten Wandung 32 ausgeführt, wobei beide Wandungen 31, 32 einen Spalt 33 einschliessen, so dass das freie Ende des Dichtsteges 15 in radialer Richtung diesen Spalt überdeckt, um die Weiterbeförderung des Schmiermittels durch den Spalt 33 über den Ölablaufkanal 13, 14 zur ersten Dichtung 11 weitestgehend zu verhindern.
  • In bevorzugter Weise ist das freie Ende des Dichtstegs 15 gegenüber der Flucht der jeweiligen Gehäusebohrung 3 oder 6 um beispielsweise 45° angeschrägt ausgeführt, um zu verhindern, dass ein etwa am Dichtsteg 15 hängen bleibender Tropfen eines durch den Spalt 33 der zweiten Dichtung 12 durchgekommenen Schmiermittels per Saugzug doch noch zum Kolbenring der ersten Dichtung 11 gelangen kann.
  • Das voranbeschriebene Ausführungsbeispiel ist hinsichtlich der vorgesehenen Art und Weise der Montage ausgerichtet, nämlich um die Rotorwelle 1 zuerst durch das Turbinengehäuse 2 und dann in das mittlere Lagergehäuse 10 einzuführen und das Verdichterrad 7 im Verdichtergehäuse 5 dem Rotorwellenstumpf aufzusetzen.
  • Dies ist der Grund, weshalb im Ausführungsbeispiel die Höhe des Dichtstegs 15 (Pfeil a) nicht über die Flucht der Gehäusebohrung (Pfeil b) hinausragen darf, weshalb die verkürzte Wandung 31 (Pfeil c) und die verlängerte Wandung 32 (Pfeil d) einen Spalt 33 begrenzen und der Durchmesser der Rotorwelle 1 im Turbinengehäuse 2 größer als der Durchmesser der Rotorwelle 1 im Bereich der zweiten Dichtung 12 und dieser wiederum größer als der Durchmesser der Rotorwelle im mittleren Lagergehäuse 10 in diesem Ausführungsbeispiel ist. Der Dichtsteg 15 sollte also möglichst in radialer Richtung der Rotorwelle 1 mit großer Höhe ausgebildet sein, um den Spalt 33 durch den Schmieröl in den Ölablaufkanal 13, 14 eindringt in axialer Richtung abzudecken, darf jedoch die Flucht der turbinenseitigen Gehäusebohrung 3 nicht übergreifen, damit die Rotorwelle 1 montierbar bleibt.

Claims (8)

  1. Dichtungseinrichtung für eine geschmierte Lagerung einer Rotorwelle, die ein Lagergehäuse gegen ein zugeführtes Schmiermittel in axialer Richtung abdichtet, wobei auf der Rotorwelle eine erste Dichtung (11) in Form eines Spaltes, eines Labyrinths oder eines Kolbenrings und eine zweite Dichtung (12) in Form eines engen Spaltes oder eines Labyrinths zwischen sich einen sich ringförmig um den Umfang der Rotorwelle (1) erstreckenden Ölablaufkanal (13, 14) einschließen und im Ölablaufkanal (13, 14) ein in radialer Richtung der Rotorwelle (1) mit einem Ende frei in den ringförmigen Ölablaufkanal (13, 14) ragender ringförmiger Dichtsteg (15) vorgesehen ist, der eine in axialer Richtung wirkende Barriere für in den Ölablaufkanal eindringendes Schmiermittel darstellt, dadurch gekennzeichnet, dass der ringförmige Dichtsteg (15) in einem Ölablaufkanal vorgesehen ist, der mittels einer gehäuseseitigen ablaufnut (13) und einer in achsgleicher Position angeordneten wellenseitigen Ölablaufnut (14) aufgebaut ist und dass die zweite Dichtung (12) in Form einer die wellenseitige Ölablaufnut (14) begrenzenden und nach radial außen gerichtet gegenüber der Gehäusebohrung (3 und/oder 6) verkürzten Wandung (31) und einer sich dazu in achsgleicher Position befindlichen, die gehäuseseitige Ölablaufnut (13) begrenzenden und nach radial innen gerichtet gegenüber der Gehäusebohrung (3 und/oder 6) entsprechend verlängerten Wandung (32) ausgeführt ist, wobei beide Wandungen (31, 32) einen Spalt (33) einschliessen, so dass das freie Ende des Dichtsteges (15) in radialer Richtung diesen Spalt (33) überdeckt.
  2. Dichtungseinrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Anwendung in einem Abgasturbolader, bei dem die Rotorwelle (1) an einem Ende in einem Turbinengehäuse (2) in einer Gehäusebohrung (3) geführt ein Turbinenrad (4) und am anderen Ende in einem Verdichtergehäuse (5) in einer Gehäusebohrung geführt ein Verdichterrad (7) trägt, wobei innerhalb einer turbinengehäuseseitigen und/oder einer verdichtergehäuseseitigen Lageranordnung der Rotorwelle (1) die Dichtungseinrichtung vorgesehen ist, um das Turbinengehäuse (2) und/oder das Verdichtergehäuse (5) gegen ein von einem mittleren Lagergehäuse (10) zwischen Turbinen- (2) und Verdichtergehäuse (5) ausgehendes, der turbinengehäuseseitigen und/oder verdichtergehäuseseitigen Lageranordnung zugeführtes Schmiermittel abzudichten.
  3. Dichtungseinrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet dass der Dichtsteg (15) in der wellenseitigen Ölablaufnut (14) an der Rotorwelle (1) angeformt ist und dessen Höhe bis zum radial nach außen gerichteten freien Ende maximal mit der Gehäusebohrung (3, 6) des Turbinengehäuses (2) und/oder Verdichtergehäuses (5) fluchtend oder kürzer ausgeführt ist.
  4. Dichtungseinrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Dichtsteg (15) in der gehäuseseitigen Ölablaufnut (13) angeformt ist und dessen Höhe bis zum radial nach innen gerichteten Ende maximal mit der Gehäusebohrung (3, 6) des Turbinengehäuses (2) und/oder Verdichtergehäuses (5) fluchtend oder kürzer ausgeführt ist.
  5. Dichtungseinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Dichtung (11) als Labyrinthdichtung ausgeführt ist.
  6. Dichtungseinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Dichtung (11) in Form eines sich an die Innenwand der Gehäusebohrung (3 und/oder 6) anlegenden Kolbenrings (11) ausgeführt ist.
  7. Dichtungseinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolbenring (11) in eine Nut (18) der Rotorwelle (1) oder eines mit ihr verbundenen Drehteils eingelegt ist.
  8. Dichtungseinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das freie Ende des Dichtsteges (15) gegenüber der Flucht der jeweiligen Gehäusebohrung (3, 6) angeschrägt ist.
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