DE102008046219A1 - Exhaust gas turbocharger for use in airplane, has rotor arranged at rotor axle, which is inclined with respect to horizontal plane at inclination angle, where inclination angle is of specific range - Google Patents

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Abstract

The turbocharger has a rotor (1) comprising a compressor part (2) and a turbine part (4) that are connected by a common shaft (3). The rotor is arranged at a rotor axle that is inclined with respect to a horizontal plane at an inclination angle (phi) that is in the range of 45-90 degree. A rotor bearing (5) has an active controller for regulation of position of the rotor axle. The rotor bearing is designed as a plastic sliding bearing, magnet bearing or air bearing and is free from liquid or solid lubricants.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Abgasturbolader mit einem ein Verdichterteil sowie ein Turbinenteil umfassenden Rotor.The The invention relates to exhaust gas turbochargers with a compressor part and a rotor comprising a turbine part.

Derartige Abgasturbolader werden heute in vielen Serienfahrzeugen zur Leistungssteigerung der Motoren eingesetzt. Im Hinblick auf ein gutes Betriebsverhalten des Abgasturboladers sind leichte, trägheitsarme Rotoren besonders erwünscht. Die leichte Bauweise bringt jedoch die Gefahr vorzeitiger Materialermüdungen, für die insbesondere Wechselbelastungen des Rotors verantwortlich sind, mit sich.such Exhaust gas turbochargers are today in many production vehicles to increase performance the motors used. With regard to a good operating behavior the exhaust gas turbocharger are lightweight, low-inertia rotors particularly he wishes. The lightweight design, however, brings the risk of premature material fatigue, for the especially alternating loads of the rotor are responsible, with himself.

Deshalb ist es Aufgabe der Erfindung, einen Abgasturbolader mit einer Bauart zu schaffen, die zu besonders geringen Wechselbeanspruchungen des Rotors führt.Therefore It is an object of the invention to provide an exhaust gas turbocharger of a type to create, which leads to particularly low alternating stresses of the rotor leads.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Rotor mit zu einer Horizontalebene geneigter Achse angeordnet ist, wobei der Neigungswinkel zwischen etwa 45° und 90° und in bevorzugter Weise bei etwa 80° liegt.These Task is inventively characterized solved, that the rotor is arranged with an axis inclined to a horizontal plane is, wherein the inclination angle between about 45 ° and 90 °, and preferably at about 80 °.

Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, die bisherige Standardbauweise, bei der ein Abgasturbolader mit horizontaler Rotorachse vorgesehen ist, zu verlassen und zu einer Bauweise mit angenähert vertikaler Rotorachse überzugehen. Hierbei wird die Erkenntnis ausgenutzt, dass sich die bisherige Standardbauweise von Abgasturboladern an die Bauweise von Flugzeugantrieben anlehnt, bei denen ein horizontaler Schub benötigt wird, und wobei sich das Flugzeug überwiegend in horizontaler Richtung bewegen soll und die verdichterseitige Einlassströmung sowie die turbinenseitige Auslassströmung horizontal ausgerichtet sind und bei horizontaler Rotorachse eine optimale Durchströmung des Triebwerks gewährleistet werden kann. Bei einem Abgasturbolader dagegen sind keine mit einer horizontalen Rotorachse verbundenen Vorteile ersichtlich. Andererseits ergeben sich bei einer horizontalen Rotorachse erhebliche Wechselbeanspruchungen an umlaufenden Rotorteilen, weil diese nicht nur von Zentrifugalkräften sondern auch von Gravitationskräften beansprucht werden, und zwar in zur Umlaufrichtung wechselnden Richtungen. Diese Wechselbeanspruchungen sind insbesondere bei unvermeidlichen Unwuchten des Rotors aufgrund von Fertigungstoleranzen beachtlich.The Invention is based on the general idea, the previous standard construction, in which provided an exhaust gas turbocharger with horizontal rotor axis is to leave and to a construction with approximately vertical Rotor axis to pass. in this connection the knowledge is exploited that the previous standard construction of exhaust gas turbochargers to the design of aircraft drives, where a horizontal thrust is needed, and where the Airplane predominantly to move in the horizontal direction and the compressor side inlet flow and the turbine-side outlet flow aligned horizontally are and with horizontal rotor axis an optimal flow through the engine guaranteed can be. In an exhaust gas turbocharger on the other hand are none with a horizontal rotor axis benefits apparent. on the other hand arise in a horizontal rotor axis significant alternating stresses rotating rotor parts, because these not only by centrifugal forces but also from gravitational forces be claimed, in the direction of rotation changing directions. These alternating stresses are particularly unavoidable Imbalance of the rotor due to manufacturing tolerances considerable.

Theoretisch müsste ein Rotor mit vertikaler Rotorachse hinsichtlich der vorgenannten Wechselbeanspruchungen optimal sein. Jedoch ist gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass die Neigung der Rotorachse relativ zu einer Horizontalebene bei maximal etwa 80° liegt. Damit wird eine gewisse Abweichung gegenüber der Vertikalrichtung vorgegeben und der Vorteil erreicht, dass der Rotor in Ruhelage von Gravitationskräften in eine bevorzugte Ausgangslage gedrängt wird. Dies bietet zusätzliche Vorteile bei der Konzeption der Rotorlager.Theoretically should a rotor with a vertical rotor axis with respect to the aforementioned Alternating stresses are optimal. However, according to one particularly preferred embodiment the invention provided that the inclination of the rotor axis relative to a horizontal plane at a maximum of about 80 °. This will be a certain Deviation from the vertical direction predetermined and achieved the advantage that the Rotor in rest position of gravitational forces in a preferred starting position packed becomes. This offers additional Advantages in designing the rotor bearings.

Grundsätzlich wird mit der Erfindung hinsichtlich der Rotorlager der Vorteil geboten, dass nur verminderte radiale Tragkräfte an den Lagern gewährleistet sein müssen und dementsprechend mit der Erfindung die Möglichkeit geschaffen wird, „unkonventionelle” Anordnungen mit relativ geringen Tragkräften für die Radiallagerung des Motors vorzusehen.Basically with the invention with regard to the rotor bearings offered the advantage that only reduced radial loads on the bearings ensured have to be and accordingly the invention provides the possibility of "unconventional" arrangements with relatively low load capacities for the Provide radial bearing of the engine.

So eröffnet die Erfindung die Möglichkeit, berührungsfreie Lageranordnungen wie z. B. Magnetlagerungen oder Luftlagerungen vorzusehen.So open the invention the possibility noncontact Bearing arrangements such. B. magnetic bearings or air bearings provided.

Stattdessen können auch „unkonventionelle” Gleit- oder Wälzlager mit Lagerteilen aus Kunststoff vorgesehen werden.Instead can also "unconventional" sliding or rolling bearings be provided with bearing parts made of plastic.

Insbesondere können bei der Erfindung schmierstofffreie Lager eingesetzt werden, so dass Betriebsphasen mit stark erhöhtem Verschleiß aufgrund der Zähflüssigkeit von Schmierstoffen bei niedriger Temperatur vermieden werden.Especially can in the invention, lubricant-free bearings are used, so that operating phases with greatly increased wear due to viscosity of lubricants at low temperature can be avoided.

Im Übrigen wird hinsichtlich bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung auf die Ansprüche sowie die nachfolgende Erläuterung der Zeichnung verwiesen, anhand der eine besonders bevorzugte Ausführungsform der Erfindung näher beschrieben wird.Incidentally, will in terms of preferred embodiments the invention to the claims and the following explanation referred to the drawing, based on a particularly preferred embodiment closer to the invention is described.

Schutz wird nicht nur für ausdrücklich angegebene oder dargestellte Merkmalskombinationen sondern auch für prinzipielle beliebige Kombinationen der angegebenen oder dargestellten Einzelmerkmale beansprucht.protection will not only for expressly indicated or illustrated feature combinations but also for principled any combination of the specified or illustrated individual features claimed.

In der Zeichnung zeigtIn the drawing shows

die einzige Figur eine stark schematisierte Darstellung der Anordnung des Rotors eines Abgasturboladers.the single figure is a highly schematic representation of the arrangement the rotor of an exhaust gas turbocharger.

Gemäß 1 besitzt der Rotor 1 eines nicht näher dargestellten Abgasturboladers ein Verdichterteil oder -rad 2 sowie ein damit drehfest, in der Regel über eine gemeinsame Welle 3, verbundenes Turbinenteil bzw. -rad 4. Gemäß dem Bild A der 1 ist der Rotor 1 beim Stand der Technik mit horizontaler Achse angeordnet, so dass die im dargestellten Beispiel an der Welle 4 angeordneten Rotorlager 5 im Wesentlichen nur radiale Lagerkräfte und nahezu verschwindende axiale Lagerkräfte aufnehmen müssen.According to 1 owns the rotor 1 an exhaust gas turbocharger, not shown, a compressor part or wheel 2 as well as a rotationally fixed, usually on a common shaft 3 , connected turbine part or wheel 4 , According to the picture A of the 1 is the rotor 1 arranged in the prior art with a horizontal axis, so that in the example shown on the shaft 4 arranged rotor bearings 5 essentially only need to accommodate radial bearing forces and almost vanishing axial bearing forces.

Erfindungsgemäß ist nun vorgesehen, den Rotor 1 gemäß dem Bild B der 1 mit gegenüber einer Horizontalebene geneigter Rotorachse anzuordnen, wobei der Neigungswinkel φ vorzugsweise zwischen 45° und 90° liegt und in besonders bevorzugter Weise maximal bei etwa 80° liegt.According to the invention, the rotor is now provided 1 according to picture B of 1 to arrange with respect to a horizontal plane inclined rotor axis, wherein the inclination angle φ is preferably between 45 ° and 90 ° and in a particularly preferred manner is at most about 80 °.

Damit werden die an den Rotorlagern 5 auftretenden radialen Lagerkräfte deutlich vermindert. Dies führt auch dazu, dass radiale Wechselbelastungen der Rotorlager 5 aufgrund einer nicht exakt rotationssymmetrischen Massenverteilung des Rotors 1 stark vermindert werden.This will be the on the rotor bearings 5 occurring radial bearing forces significantly reduced. This also leads to radial alternating loads of the rotor bearings 5 due to a not exactly rotationally symmetric mass distribution of the rotor 1 be greatly reduced.

Zwar wachsen die von den Lagern 5 aufzunehmenden Axialkräfte mit zunehmender Annäherung der Rotorlage an eine vertikale Achslage an, wobei auch zunehmende axiale Wechselbelastungen auftreten können. Denn eine aufgrund von Fertigungstoleranzen nicht rotationssymmetrische Massenverteilung des Rotors 1 kann neben radialen Unwuchten auch axiale Unwuchten verursachen. Jedoch sind derartige axiale Unwuchten vergleichsweise gering, weil die für die Rotorherstellung eingesetzten Werkzeugmaschinen eine extrem hohe Präzision in axialer Richtung ermöglichen.Although they are growing from the camps 5 axial forces to be absorbed with increasing approach of the rotor position to a vertical axis position, wherein also increasing axial alternating loads can occur. Because a non-rotationally symmetric mass distribution of the rotor due to manufacturing tolerances 1 In addition to radial imbalances, it can also cause axial imbalances. However, such axial imbalances are comparatively low, because the machine tools used for rotor production allow extremely high precision in the axial direction.

Neben verminderten Wechselbelastungen des Rotors 1 bei hohen Drehzahlen wird mit der Erfindung gewährleistet, dass auch die Wechselbelastungen der Rotorlager 5 deutlich vermindert sind, mit der vorteilhaften Folge, dass „unkonventionelle” Lager 5 eingesetzt werden können, beispielsweise schmierstofffreie Kunststofflager, die als Wälz- oder Gleitlager ausgebildet sein können, oder berührungsfreie Magnet- oder Luftlager, die passiv oder aktiv mit variabler Luftzuführung bzw. variablen Magnetfeldern zur Steuerung bzw. Regelung der Lage der Rotorachse ausgebildet sein können.In addition to reduced alternating loads of the rotor 1 At high speeds, the invention ensures that the alternating loads of the rotor bearings 5 are significantly reduced, with the advantageous consequence that "unconventional" bearings 5 can be used, for example, lubricant-free plastic bearings that can be designed as rolling or sliding bearings, or non-contact magnetic or air bearings that can be passive or active with variable air supply or variable magnetic fields for controlling or regulating the position of the rotor axis.

Claims (10)

Abgasturbolader mit einem ein Verdichterteil (2) sowie ein Turbinenteil (4) umfassenden Rotor (1), dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (1) mit zu einer Horizontalebene geneigter Rotorachse mit einem Neigungswinkel von mindestens etwa 45° angeordnet ist.Exhaust gas turbocharger with a compressor part ( 2 ) and a turbine part ( 4 ) comprehensive rotor ( 1 ), characterized in that the rotor ( 1 ) is arranged with inclined to a horizontal plane rotor axis with an inclination angle of at least about 45 °. Abgasturbolader nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Neigungswinkel (φ) zwischen etwa 45° und 90° liegt.Exhaust gas turbocharger according to claim 1, characterized in that that the inclination angle (φ) between about 45 ° and 90 °. Abgasturbolader nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Neigungswinkel bei maximal etwa 80° liegt.Exhaust gas turbocharger according to claim 2, characterized in that that the inclination angle is a maximum of about 80 °. Abgasturbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass flüssig- oder festschmierstofffreie Rotorlager (5) vorgesehen sind.Exhaust gas turbocharger according to one of claims 1 to 3, characterized in that liquid or solid lubricant-free rotor bearing ( 5 ) are provided. Abgasturbolader nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Kunststofflager ausgebildete Rotorlager (5) vorgesehen sind.Exhaust gas turbocharger according to claim 4, characterized in that formed as a plastic bearing rotor bearing ( 5 ) are provided. Abgasturbolader nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Kunststoffgleitlager ausgebildete Rotorlager (5) vorgesehen sind.Exhaust gas turbocharger according to claim 4, characterized in that formed as a plastic plain bearing rotor bearing ( 5 ) are provided. Abgasturbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass berührungsfreie Rotorlager (5) vorgesehen sind.Exhaust gas turbocharger according to one of claims 1 to 4, characterized in that non-contact rotor bearings ( 5 ) are provided. Abgasturbolader nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass als Magnetlagerungen ausgebildete Rotorlager (5) vorgesehen sind.Exhaust gas turbocharger according to claim 7, characterized in that designed as magnetic bearings rotor bearing ( 5 ) are provided. Abgasturbolader nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass als Luftlagerungen ausgebildete Rotorlager (5) vorgesehen sind.Exhaust gas turbocharger according to claim 7, characterized in that designed as air bearings rotor bearing ( 5 ) are provided. Abgasturbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass Rotorlager (5) mit aktiver Steuerung oder Regelung der Lage der Rotorachse vorgesehen sind.Exhaust gas turbocharger according to one of claims 1 to 9, characterized in that rotor bearing ( 5 ) are provided with active control or regulation of the position of the rotor axis.
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