DE102008005404A1

DE102008005404A1 - Turbolader

Info

Publication number: DE102008005404A1
Application number: DE102008005404A
Authority: DE
Inventors: Claus Fleig; Matthias Stein; Andreas Wengert; Dirk Bluemmel
Original assignee: Bosch Mahle Turbo Systems GmbH and Co KG
Current assignee: BMTS Technology GmbH and Co KG
Priority date: 2008-01-21
Filing date: 2008-01-21
Publication date: 2009-07-23
Also published as: WO2009092636A2; US9163557B2; WO2009092636A3; US20110014034A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Turbolader mit einem Turbinengehäuse 1, einem Lagergehäuse 2, einem um eine Achse 3.2 drehbar gelagerten Turbinenrad 3 und mit einem Leitapparat 5 mit mehreren an einem Leitschaufelträger 5.1 in Schwenklagern 5.4 drehbar gelagerten Leitschaufeln 5.2 zur Beeinflussung der Strömung in einem Strömungskanal 9 des Turbinengehäuses 1 und mit einem Federelement, welches den in axialer Richtung beweglichen Leitapparat 5 gegen eine Wand 1.1 des Turbinengehäuses 1 beaufschlagt. Es wird vorgeschlagen, dass zwischen dem Leitapparat 5 und dem Lagergehäuse 2 zwei Tellerfedern 6, 7 angeordnet sind, welche sich mit ihrem einen Ende 6.1, 7.1 an dem Leitapparat 5 abstützen, wobei eine erste Tellerfeder 7 in radialer Richtung zwischen der Drehachse 3.2 des Turbinenrades 3 und den Schwenklagern 5.4 der Leitschaufeln 5 angeordnet ist und eine zweite Tellerfeder 6 in radialer Richtung auf der von der Drehachse 3.2 des Turbinenrades abgewandten Seite der Schwenklager 5.4 angeordnet ist und wobei die Tellerfedern 6, 7 einen mit einem Verstellmechanismus 10 des Leitapparats 5 versehenen Verstellraum 8 gegenüber dem Strömungskanal 9 abdichten.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft einen Turbolader mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
Ein derartiger Turboader ist beispielsweise aus der EP 0 160 460 B1 bekannt. Derartige Turbolader für Brennkraftmaschinen von Kraftfahrzeugen bestehen aus einem Verdichter und einer Turbine, die auf einer gemeinsamen Welle angebracht sind. Wegen des großen Drehzahlbereichs von Pkw-Motoren, ist eine Regelung des Turboladers erforderlich, die über eine variable Turbinengeometrie erreicht wird. Hierzu dient ein im Folgenden als Leitapparat bezeichnetet Leitschaufeleinsatz mit mehreren konzentrisch an einem Leitschaufelträger angeordneten, schwenkbaren Leitschaufeln, die mittels eines gemeinsamen Verstellmechanismus verschwenkt werden, um das Aufstauverhalten in einem Strömungskanal des Turbinengehäuses zu beeinflussen. Die Leitschaufeln sind über jeweils eine Welle in Schwenklagern drehbar in dem Leitschaufelträger angeordnet. Aus der EP 0 160 460 B1 ist es bekannt, den Leitschaufelträger mittels eines Federelementes derart vorzuspannen, dass der Leitapparat mit den Leitschaufeln gegen eine Innenwand des Turbinengehäuses gedrückt wird.
Weiterhin sind aus dem Stand der Technik Turbolader bekannt, die zwischen einem die Welle des Turbinenrades aufnehmenden Lagergehäuse und dem Turbinengehäuse einen Hitzschild aufweisen, welcher das Lagergehäuse vor dem heißen Gas des Turbinenteils schützt. Ein solcher Turbolader ist beispielsweise auf der EP 1 785 613 A2 bekannt.
Die EP 1 503 042 A1 zeigt einen Turbolader mit Leitapparat und Hitzeschild zwischen dem Lagergehäuse und dem Leitapparat. Das Hitzeschild ist jedoch in aufwendiger Weise umgebogen und stützt sich nicht am dem Leitapparat ab, so dass heißes Gas über den offenen Spalt zwischen dem Leitapparat und dem Lagergehäuse, hinter den Hitzeschild strömen kann. Au ßerdem ist bei der dort gezeigten Konstruktion der Leitapparat fest mit dem Turbinengehäuse verbunden, wodurch sich Nachteile ergeben in Bezug auf eine thermische Ausdehnung der Bauteile des Leitapparats, welche ein Verklemmen der variablen Turbinengeometrie bewirken können.
Offenbarung der Erfindung
Vorteile der Erfindung
Der erfindungsgemäße Turbolader mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 der Anmeldung verwendet vorteilhaft einen Leitapparat, der in axialer Richtung beweglich und federbeaufschlagt ist in Kombination mit zwei Tellerfedern, die sich beide an dem Leitapparat abstützen und in Bezug auf die Drehachse des Turbinenrades oberhalb und unterhalb der Leitschaufelschwenklager angeordnet sind. Unter Tellerfedern werden im Kontext der Anmeldung Federn verstanden, die ein umlaufend geschlossenes und flächiges Profil aufweisen und die beispielsweise ein C-förmiges, V-förmiges, U-förmiges, O-förmiges, S-förmiges, Z-förmiges oder sonstiges Querschnittsprofil aufweisen. Durch die oben genannten Maßnahmen wird vorteilhaft erreicht, dass der den Verstellmechanismus aufnehmende Verstellraum des Turboladers gegenüber dem von heißem Gas durchströmten Strömungskanal des Turbinengehäuses abgedichtet wird, wodurch sowohl vermieden wird, dass sich die Verstellmechanik bei hohen Temperaturen in radialer Richtung deformiert, als auch der von der Temperatur abhängige Verschleiß der Verstellmechanik deutlich reduziert werden kann.
Vorteilhafte Ausbildungen und Weiterentwicklungen der Erfindung werden durch die in den abhängigen Ansprüchen angegebenen Maßnahmen ermöglicht.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn wenigstens eine der Tellerfedern einen Hitzeschild bildet. Der Hitzeschild bewirkt eine gleichmäßige Erwärmung des Leitschaufelträgers, da der Leitschaufelträger nicht einseitig gekühlt wird, so dass dieser sich gleichmäßig ausdehnt. Dadurch bleibt der Abstand zwischen den Leitschaufeln und dem Leitschaufelträger nahezu konstant, so dass der Spalt zwischen den Leitschaufeln und dem Leitschaufelträger und der Deckscheibe des Leitapparats reduziert werden kann und damit der thermodynamische Wirkungsgrad des Turboladers verbessert wird.
Besonders bevorzugt dient eine erste Tellerfeder als Hitzeschild, wobei diese erste Tellerfeder zwar an dem Leitapparat mit geringer Federwirkung anliegt, die zur axialen Ausrichtung des Leitapparats erforderliche Federkraft jedoch im wesentlichen von der zweiten Tellerfeder aufgebracht wird.
Diese zweite Tellerfeder ist vorzugsweise aus einem temperaturbeständigen Federmaterial gefertigt, das auch bei hohen Temperaturen, wie sie im Strömungskanal des Turbinengehäuses auftreten, die notwendige Spannkraft aufbringt, um den Leitapparat mit einer zur axialen Sicherung desselben ausreichend großen Federkraft zu beaufschlagen.
In einem anderen Ausführungsbeispiels sind beide Tellerfedern als Hitzschild ausgebildet. Die beiden Hitzeschilde bewirken, dass sich einerseits die Lagerscheibe besonders gleichmäßig erwärmt und verformt. Der Verstellraum der Verstellmechanik des Leitapparats ist besonders gut gegen Hitze geschützt.
Ein besonders einfacher mechanischer Aufbau wird dadurch möglich, dass sich die erste Tellerfeder und die zweite Tellerfeder jeweils mit ihren von den Schwenklagern der Leitschaufeln abgewandten Enden an einem Lagergehäuse des Turboladers abstützen und mit ihren von den Schwenklagern der Leitschaufeln zugewandten Enden in der Nähe der Leitschaufellager an dem Leitschaufelträger abstützten.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt
1 einen schematischen Ausschnitt einer Querschnittsansicht eine Turboladers mit einem federbeaufschlagten Leitapparat zwischen dem Lagergehäuse und dem Turbinengehäuse.
Ausführungsformen der Erfindung
1 zeigt in stark vereinfachter Form einen Ausschnitt aus einer Querschnittsansicht eines Turboladers. Der Turbolader umfasst einen hier nicht dargestellten Verdichterteil mit einem Verdichterrad, das über eine Welle 3.1 mit einem in einem Turbinengehäuse 1 aufgenommenen Turbinenrand 3 verbunden ist. Die Welle 3.1 ist in nicht dargestellter Weise in einem Lagergehäuse 2 des Turboladers um eine Achse 3.2 drehbar gelagert und über eine Dichtung 3.3 zum Lagergehäuse abgedichtet. Die Achse 3.2 des Turbinenrades 3 stellt eine axiale Richtung dar. Senkrecht zur Achse 3.2 ist eine radiale Richtung definiert.
Im Betrieb strömt heißes Abgas einer Brennkraftmaschine durch einen Spiralkanal 1.2 des Turbinengehäuses in Richtung 4.1 in einen mit verstellbaren Leitschaufeln 5.2 versehenen Strömungskanal 9 und von dort in Richtung 4.2 zum Turbinenrad und schließlich in Richtung 4.3 zu einem Auslass des Turbinengehäuses 1.
Zwischen dem Lagergehäuse 2 und dem Turbinengehäuse 1 ist ein die Leitschaufeln 5.2 aufnehmender Leitapparat 5 angeordnet. Der Leitapparat umfasst einen ringscheibenförmigen Leitschaufelträger 5.1, welcher mit mehren achsparallel zur Drehachse 3.2 des Turbinenrades angeordneten Bohrungen versehen ist, in welche jeweils Wellen der Leitschaufeln 5.2 unter Ausbildung eines Schwenklagers 5.4 eingreifen. Die Schwenklager 5.4 sind über den Umfang des Leitschaufelträgers verteilt und in Bezug auf die Drehachse 3.2 des Turbinenrades vorzugsweise in gleichem radialen Abstand angeordnet. Die Wellen der Leitschaufeln sind beispielsweise mit jeweils einem Schwenkarm 5.5 versehen, der mit einem Verstellmechanismus 10 zusammenwirkt. Über den Verstellmechanismus 10 können die Leitschaufeln 5.2 synchron verschwenkt werden. Der Leitapparat 5 kann weiterhin eine Deckscheibe 5.3 aufweisen, welche über Abstandshalter 5.6 in einem Abstand zu dem Leitschaufelträger 5.1 gehalten ist. Zwischen der Deckscheibe 5.3 und dem Leitschaufelträger 5.1 sind die Leitschaufeln 5.2 angeordnet, wobei die Leitschaufeln durch einen nicht dargestellten kleinen Spalt von dem Leitschaufelträger und der Deckscheibe beabstandet sind. Der Leitschaufelträger 5.1, die Abstandshalter 5.6 und die Deckscheibe 5.3 können lose aneinander anliegen oder teilweise fest verbunden oder in ihrer Gesamtheit fest miteinander verbunden sein.
Erfindungsgemäß wird der Leitapparat 5 durch zwei Tellerfedern 6 und 7 beaufschlagt. Die Tellerfedern 6 und 7 stützen sich jeweils mit ihren von den Schwenklagern 5.4 der Leitschau feln in radialer Richtung abgewandten Enden 6.2 und 7.2 an dem Lagergehäuse 2 des Turboladers ab. Die in radialer Richtung den Schwenklagern 5.4 der Leitschaufeln zugewandten Enden 6.1 und 7.1 der Tellerfedern stützen sich in der Nähe der Schwenklager 5.4 an dem Leitschaufelträger 5.1 ab, wodurch der Leitapparat 5 in axialer Richtung über Distanzkörper mit der Deckscheibe 5.3 gegen eine Wand 1.1 des Turbinengehäuses 1 gedrückt wird.
Eine erste Tellerfeder 7 ist in radialer Richtung zwischen der Drehachse 3.2 des Turbinenrades 3 und den Schwenklagern 5.4 der Leitschaufeln 5 angeordnet. Die erste Tellerfeder 7 übernimmt in dem hier dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiel die Funktion eines Hitzeschildes und ist aus schlecht wärmedurchlässigen Material gefertigt. Dabei braucht sich die erste Tellerfeder 7 nur mit einer zur Erzielung der abdichtenden Wirkung erforderlichen, geringen Spannkraft an den Leitapparat anzudrücken, da die axiale Sicherung im wesentlichen von der zweiten Tellerfeder übernommen wird. Die zweite Tellerfeder 6 ist in radialer Richtung auf der von der Drehachse 3.2 des Turbinenrades abgewandten Seite der Schwenklager 5.4 angeordnet. Die zweite Tellerfeder 6 ist in einem bevorzugten Ausführungsbeispiels aus einem temperaturbeständigen Federmaterial gefertigt, das auch bei hohen Temperaturen, wie sie im Strömungskanal 9 des Turbinengehäuses 1 auftreten, die notwendige Spannkraft aufbringt, um den Leitapparat 5 mit einer zur axialen Sicherung desselben ausreichend großen Federkraft zu beaufschlagen.
Wie in 1 zu erkennen ist, wird durch die Anlage der beiden Tellerfedern 6 und 7 an dem Leitschaufelträger erreicht, dass der mit dem Verstellmechanismus 10 des Leitapparats 5 versehene Verstellraum 8 gegenüber dem von heißem Gas durchströmten Strömungskanal 9 abgedichtet ist. Heißes Abgas kann daher nicht vom Strömungskanal 9 in den Verstellraum gelangen, wodurch der Verstellmechanismus besonders gut geschützt ist.
Anders als hier dargestellt, kann natürlich auch die zweite Tellerfeder 6 als Hitzschild ausgebildet sein und die axiale Sicherung von der ersten Tellerfeder 7 übernommen werden.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass beide Tellerfedern 6 und 7 je einen Hitzeschild ausbilden, wodurch der Verstellraum besonders gut gegen eine Wärmeintrag geschützt wird, da dann der Strömungskanal 9 auf nahezu seiner gesamten radialen Erstreckung durch die Hitzeschilde von dem Verstellraum getrennt wird. In diesem Fall kann es vorgesehen sein, dass beide Tellerfedern 6 und 7 die axiale Sicherung des Leitapparats 5 übernehmen und in Bezug auf ihre Federkräfte entsprechend ausgelegt sind.
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

- EP 0160460 B1 [0002, 0002]
- EP 1785613 A2 [0003]
- EP 1503042 A1 [0004]

Claims

Turbolader, insbesondere Abgasturbolader, mit einem Turbinengehäuse (1) und einem Lagergehäuse (2), einem um eine Achse (3.2) drehbar gelagerten Turbinenrad (3) und mit einem Leitapparat (5) mit mehreren an einem Leitschaufelträger (5.1) in Schwenklagern (5.4) drehbar gelagerten Leitschaufeln (5.2) zur Beeinflussung der Strömung in einem Strömungskanal (9) des Turbinengehäuses (1) und mit einem Federelement, welches den in axialer Richtung beweglichen Leitapparat (5) gegen eine Wand (1.1) des Turbinengehäuses (1) beaufschlagt, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Leitapparat (5) und dem Lagergehäuse (2) zwei Tellerfedern (6, 7) angeordnet sind, welche sich mit ihrem einen Ende (6.1, 7.1) an dem Leitapparat (5) abstützen, wobei eine erste Tellerfeder (7) in radialer Richtung zwischen der Drehachse (3.2) des Turbinenrades (3) und den Schwenklagern (5.4) der Leitschaufeln (5) angeordnet ist und eine zweite Tellerfeder (6) in radialer Richtung auf der von der Drehachse (3.2) des Turbinenrades abgewandten Seite der Schwenklager (5.4) angeordnet ist und wobei die Tellerfedern (6, 7) einen mit einem Verstellmechanismus (10) des Leitapparats (5) versehenen Verstellraum (8) gegenüber dem Strömungskanal (9) abdichten.
Turbolader nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine der Tellerfedern (7) einen Hitzeschild bildet.
Turbolader nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Tellerfeder (7) und die zweite Tellerfeder (6) jeweils einen Hitzeschild bilden.
Turbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine der Tellerfedern (6, 7) aus einem temperaturbeständigen Federmaterial besteht, das auch bei hohen Temperaturen, wie sie im Strömungskanal (9) des Turbinengehäuses (1) auftreten, die notwendige Spannkraft aufbringt, um den Leitapparat (5) mit einer zur axialen Sicherung derselben ausreichend großen Federkraft zu beaufschlagen.
Turbolader nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die erste Tellerfeder (7) und die zweite Tellerfeder (6) jeweils mit ihren von den Schwenkla gem (5.4) der Leitschaufeln abgewandten Enden (6.2, 7.2) an einem Lagergehäuse (2) des Turboladers abstützen.
Turbolader nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Tellerfeder (7) und die zweite Tellerfeder (6) jeweils mit ihren den Schwenklagern (5.4) der Leitschaufeln zugewandten Enden (6.1, 7.1) an dem Leitschaufelträger (5.1) abstützten.