DE102008056061B4

DE102008056061B4 - Abgasturbolader und Verfahren zur Montage eines Abgasturboladers

Info

Publication number: DE102008056061B4
Application number: DE102008056061.8A
Authority: DE
Inventors: Marc Lotz; Thomas Zink
Original assignee: MTU Friedrichshafen GmbH
Current assignee: Rolls Royce Solutions GmbH
Priority date: 2008-08-04
Filing date: 2008-11-05
Publication date: 2020-04-16
Anticipated expiration: 2028-11-06
Also published as: DE102008056061A1

Abstract

Abgasturbolader (1) mit je einem Laufrad (2, 4) für eine Abgasturbine (3) und einen Verdichter (5), einem Lagergehäuse (6) mit mindestens einem Radiallager (8), zwei koaxial verschraubbaren Wellenstummeln (9, 10) an jedem der Laufräder (2, 4) an deren nach der Montage einander zugekehrten Seiten, die in dem mindestens einen Radiallager (8) angeordnet sind und über die die Laufräder (2, 4) durch das mindestens eine Radiallager (8) im Lagergehäuse (6) drehbar gelagert und koaxial verbunden sind, einer Spritzscheibe (14) und einem Dichtringträger (15) auf dem Wellenstummel (10) als Fädelteile, dadurch gekennzeichnet, dass in den Radiallagem (8) eine Hülse (17) vorgesehen ist, in der die Wellenstummel (9, 10) zentriert sind, die die Wellenstummel (9, 10) umfassende Hülse (17) in dem mindestens einen Radiallager (8) drehbar gelagert ist und von Fädelteilen (11, 12, 14, 15) mindestens eine Axiallagerscheibe (12) auf den Wellenstummeln (9, 10) durch Verschrauben der Wellenstummel (9, 10) mit der Hülse reibschlüssig klemmbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1 und ein Verfahren zur Montage eines solchen Abgasturboladers mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 4.
Die Befestigung von Laufrädern auf einer Welle eines Abgasturboladers muss hohen Anforderungen genügen. Die Befestigung muss bei begrenztem Bauraum auch bei hohen Drehzahlen und großen anliegenden Kräften und Drehmomenten absolut drehfest sein, hohe Lebensdauer aufweisen, wuchtbar und für Wartungszwecke lösbar sein.
Aus der US 4 705 463 A ist ein Laufrad bekannt, das zur lösbaren Befestigung an der Welle des Abgasturboladers mit einer durchgehenden Bohrung versehen ist. Die durchgehende Bohrung schwächt die Struktur des Laufrads, was sich nachteilig auf Festigkeit und Lebensdauer des Laufrads auswirkt.
Bekannt sind aus EP 1 681 473 A2 , EP 498 795 B1 , US 5 193 989 A , US 5 176 497 A , US 6 994 526 B2 , US 7 118 335 B2 und US 4 944 660 A Laufräder mit jeweils einem Gewinde in den Naben der Laufräder zur Verbindung unmittelbar auf einer Welle. Die Gewinde mit kleineren Durchmessern als die Welle, auf die die Gewinde geschraubt werden, führen zu hohen lokalen Spannungen, die sich in Verbindung mit den Kerbwirkungen aus den Gewinden in den Naben der Laufräder, wiederum nachteilig auf Festigkeit, Lebensdauer und genaue Zentrierung des Laufrads auswirken.
Die EP 1 502 008 B1 offenbart ein Laufrad eines Abgasturboladers, ein Lagergehäuse mit Lagern und eine Welle, die in den Lagern gelagert ist und Laufräder koaxial verbindet. Das Laufrad ist mit einem Nabenfortsatz mit einer zentrischen Ausnehmung und mit einer von der Seite auf die Welle aufgeschraubten Büchse auf der Welle kraftschlüssig montierbar. Die Büchse ist mit Dicht- und Haltefunktionen ein komplexes, aufwändig herzustellendes Bauteil, das radial außen mit einer Presshülse versehen ist, die durch Aufpressen oder Aufschrumpfen die Büchse unlösbar mit dem Nabenfortsatz verbindet. Aufpressen oder Aufschrumpfen der Büchse auf dem Nabenfortsatz erzeugt für die Festigkeit und Lebensdauer nachteilige Spannungen in Büchse und Laufrad.
Aus der DE 3 101 162 A ist ein Abgasturbolader bekannt, dessen Laufräder jeweils mit koaxialen Wellenstummeln versehen sind, die mit einigem Abstand von jedem der einander gegenüber liegenden Laufräder ineinander verschraubbar sind, so dass Spannungen durch die Verschraubung und Spannungen in den Laufrädern durch den Betrieb des Abgasturboladers getrennt werden. Die Wellenstummel sind durch Reibschweißen an den Laufrädern befestigt. Auf einem der Wellenstummel ist eine Scheibe mit radialem Flansch und ein Ringträger aufgefädelt. Die als Vollscheiben ausgebildeten Laufräder halten Beanspruchungen bei hohen Drehzahlen des Abgasturboladers sehr gut stand.
Aus DE 40 12 211 C1 geht eine thermisch und mechanisch belastete drehsteife Verbindung zweier koaxial ausgerichteter Wellen mit stirnseitig gegenüberliegenden Wellenabsätzen hervor, wobei an den Wellenabsätzen über elastische Zwischenlagen zwei miteinander im Eingriff stehende metallische Kupplungshülsen befestigt sind, und eine diese Kupplungshülsen umgebende keramische Zentrierbüchse auf beiden Wellen aufgeschrumpft ist.
Aus DE 10 2005 005 893 A1 geht eine Struktur zum Verbinden eines Kompressorrades und einer Welle hervor, wobei die Struktur nicht leicht bricht, wenn sie mit einer hohen Geschwindigkeit rotiert. Ein Außengewinde wird an einer äußeren Fläche eines Vorsprungs bereitgestellt, der im Zentrum einer Rückseite des Kompressorrades ausgebildet ist, und ein Außengewinde wird auf einer Welle bereitgestellt. Das Kompressorrad und die Welle sind miteinander über eine Hülse mit Innengewinden verbunden, die an jedem Ende der Hülse bereitgestellt sind. Ein Eingriffsbereich wird zwischen dem Kompressorrad und der Welle bereitgestellt.
Aus DE 35 35 511 A1 geht eine Verbindungsanordnung zum Verbinden eines Keramikelements mit einem Metallelement hervor, gekennzeichnet durch ein Metallelement mit einem im Wesentlichen zylindrischen, metallenen Endabschnitt, der eine metallene Stirnfläche aufweist, ein Keramikelement mit einem im Wesentlichen zylindrischen, keramischen Endabschnitt, der eine keramische Stirnfläche aufweist, wobei die metallene Stirnfläche des metallenen Endabschnitts praktisch in Stoßberührung mit der keramischen Stirnfläche des keramischen Endabschnitts steht, ein an den zusammenstoßenden Stirnflächen der beiden Endabschnitte haftendes Verbindungsmittel, welches das Metallelement starr mit dem Keramikelement verbindet, und ein das Verbindungsmittel und die Endabschnitte umschließendes Hülsenelement, dessen Innenfläche zumindest an der (Außen-)Fläche des Endabschnitts, dessen Zusammensetzung derjenigen des Hülsenelements am ähnlichsten ist, befestigt ist.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen kostengünstigen, montage- und wartungsfreundlichen Abgasturbolader zu schaffen mit einem lösbaren Laufrad mit erhöhter Lebensdauer und ein Verfahren zur Montage eines solchen Abgasturboladers.
Die Lösung erfolgt erfindungsgemäß mit einem Abgasturbolader mit den Merkmalen von Anspruch 1 und einem Verfahren zur Montage dieses Abgasturboladers mit den Merkmalen von Anspruch 4. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen dargestellt.
Gemäß der Erfindung ist ein Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine mit je einem Laufrad für eine Turbine und Verdichter ausgestattet. Eine Welle ist in zwei in einem Lagergehäuse vorgesehenen Radiallagern angeordnet, über die die Laufräder im Lagergehäuse drehbar gelagert und koaxial verbunden sind, wobei die Welle aus je einem koaxial verschraubbaren Wellenstummel an jedem der Laufräder an den nach der Montage einander zugekehrten Seiten gebildet ist. Die Welle ist in einer Hülse zentriert und von Fädelteilen ist mindestens eine Lagerscheibe durch Verschrauben der Wellenstummel mit der Hülse reibschlüssig klemmbar. Vorteilhaft ergibt sich gemäß der Erfindung durch Verschrauben der Wellenstummel zur Welle eine kraftschlüssige Verbindung zwischen dem Turbinen- und dem Verdichterlaufrad, die durch die Hülse gut zentriert ist und daher zu guten Rundlaufeigenschaften des Abgasturboladers führt. Die Hülse dient auch als Abstand gebendes Bauteil zwischen den Laufrädern. Die Verbindung zwischen dem Turbinen- und dem Verdichterlaufrad ist für Tauschbarkeit im Feld lösbar. Spannungen durch die Verschraubung und Spannungen in den Laufrädern durch den Betrieb des Abgasturboladers sind für hohe Lebensdauer getrennt, wobei erforderlicher Bauraum, Lager- und Dichtungskonzept von Abgasturboladern des Standes der Technik erhalten bleiben.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist zur Kostenersparnis der Wellenstummel am Verdichterlaufrad aus einem anderen Material, insbesondere einem höherfesten Material, als das Material des Laufrads gefertigt, z. B. das Laufrad aus Aluminium und Wellenstummel aus Stahl.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist ein Dichtringträger mit einer Nut für einen Kolbenring vorgesehen, der einteilig ist mit dem Wellenstummel am Verdichterlaufrad.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind Fädelteile wie Spritzscheibe und eine Ölspritzscheibe auf einem radialen Absatz des Wellenstummels befestigt.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der radiale Absatz des Wellenstummels Widerlager für die Axiallagerscheibe.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung erfolgt ein Verfahren zur Montage eines Abgasturboladers mit den folgenden Schritten: Fügen eines Wellenstummels an das Verdichterlaufrad durch z. B. Löten, Reibschweißen, etc., Montieren von Lagern in eine Lagerbüchse eines Lagergehäuses, Einschieben der Hülse in die Lager und Einschieben des auf dem Turbinenrad montierten Wellenstummels durch eine Ölspritzscheibe von der Seite der Abgasturbine. Anordnen einer Axiallagerscheibe, eines Axiallagers, einer Spritzscheibe, eines Deckels, eines Ringträgers und dem Verdichterlaufrad auf dem Wellenstummel des Verdichterlaufrads. Einschieben des auf dem Verdichterlaufrad montierten Wellenstummels mit der Axiallagerscheibe, dem Axiallager, der Spritzscheibe, dem Deckel, dem Dichtringträger und dem Verdichterlaufrad auf diesem Wellenstummel von der Seite des Verdichters in die Hülse und Verschrauben der Wellenstummel, so dass von den Fädelteilen mindestens die Lagerscheibe durch die Hülse reibschlüssig geklemmt ist für ein präzise zentriertes, positioniertes und kraftschlüssig gespanntes Verdichterlaufrad, das einfach von der Welle und damit vom Abgasturbolader lösbar ist, ohne dass hierfür vorab der Deckel vom Lagergehäuse zu nehmen wäre.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels dargestellt. Es zeigen:

1 einen Querschnitt durch einen Abgasturbolader gemäß der Erfindung und
2 einen Querschnitt durch einen Ausschnitt von 1.

1, 2: Ein Abgasturbolader 1 für eine Brennkraftmaschine weist ein Turbinenrad 2 einer Abgasturbine 3 und ein Verdichterlaufrad 4 auf. Ein mehrteiliges Lagergehäuse 6 enthält eine Lagerbüchse 7, zwei Radiallager 8 in der Lagerbüchse 7 und eine Hülse 17, die in den zwei Radiallagern 8 drehbar gelagert ist.
Je ein koaxial verschraubbarer Wellenstummel 9, 10 an jedem der Laufräder 2, 4 verbindet die Laufräder 2, 4 koaxial an den nach der Montage einander zugekehrten Seiten, wobei an einem freien Ende des mit dem Laufrad 4 einteiligen Wellenstummels 10 eine Ausnehmung 18 mit einem Innengewinde und an einem freien Ende des mit dem Laufrad 2 einteiligen Wellenstummels 9 ein Bolzen 19 mit einem zum Innengewinde passenden Außengewinde zur Verschraubung vorgesehen ist. Alternativ können auch der einteilige Wellenstummel 10 des Laufrads 4 mit einem Bolzen 19 mit Außengewinde und der mit dem Laufrad 2 einteilige Wellenstummel 9 mit einer Ausnehmung 18 mit passendem Innengewinde 10 zur Verschraubung versehen sein. Hülse 17 umfasst und zentriert die Wellenstummel 9, 10 und bestimmt den Abstand zwischen den Laufrädern 2, 4. Die über die Wellenstummel 9, 10 verbundenen Laufräder 2, 4 sind über die Hülse 17 durch die zwei Radiallager 8 im Lagergehäuse 6 drehbar gelagert.
Als sogenannte Fädelteile liegen zur Seite des Verdichters 5 auf dem Wellenstummel 10 eine Axiallagerscheibe 12, Hülse 17, eine Spritzscheibe 14 und ein Dichtringträger 15 und auf dem Wellenstummel 9 zur Seite der Abgasturbine 3 eine Ölspritzscheibe 11 an. Im Dichtringträger 15 ist ein Kolbenring oder mehrere enthalten, der mit einem Deckel 16 am Lagergehäuse 6 zusammen wirkt.
Die Wellenstummel 9, 10 können alternativ zur Einteiligkeit mit den Laufrädern 2, 4 durch Reibschweißen oder Löten verbunden sein, wobei dann das Verdichterlaufrad 4 aus Aluminium und der zugehörige Wellenstummel 10 aus Titan oder Stahl gefertigt sein können.
Verfahren zur Montage des Abgasturboladers
Zur Montage des Abgasturboladers 1 sind zunächst die zwei Radiallager 8 in eine im Lagergehäuse 6 eingepresste Lagerbüchse 7 zu montieren und ist die Hülse 17 bis zur Ölspritzscheibe 11 in die Radiallager 8 einzufädeln. Einschieben des auf dem Verdichterlaufrad 4 montierten Wellenstummels 10 mit der Axiallagerscheibe 12, dem Axiallager 13, der Spritzscheibe 14, dem Deckel 16, dem Dichtringträger 15 und dem Verdichterlaufrad 4 von der Seite des Verdichters 5 in die Hülse 17. Wellenstummel 9 am Turbinenlaufrad 2 ist von der Seite der Abgasturbine 3 durch die Ölspritzscheibe 11 in die Hülse 17 einzuschieben und Bolzen 19 von Wellenstummel 9 in der Ausnehmung 18 von Wellenstummel 10 vom Verdichterlaufrad 4 einzuschrauben durch Drehen des Turbinenlaufrads 2 relativ zum Verdichterlaufrad 4 bis die Fädelteile Axiallagerscheibe 12, Scheibe 14, Dichtringträger 15, Hülse 17 und Ölspritzscheibe 11 auf den Wellenstummeln 9, 10 so weit geklemmt sind, dass die Abgasturbine 3 mit dem Verdichter 5 kraftschlüssig verbunden ist. Die Ölspritzscheibe 11 liegt dann ausschließlich auf dem Wellenstummel 9 von Laufrad 2 und an der Hülse 17 an.

Claims

Abgasturbolader (1) mit je einem Laufrad (2, 4) für eine Abgasturbine (3) und einen Verdichter (5), einem Lagergehäuse (6) mit mindestens einem Radiallager (8), zwei koaxial verschraubbaren Wellenstummeln (9, 10) an jedem der Laufräder (2, 4) an deren nach der Montage einander zugekehrten Seiten, die in dem mindestens einen Radiallager (8) angeordnet sind und über die die Laufräder (2, 4) durch das mindestens eine Radiallager (8) im Lagergehäuse (6) drehbar gelagert und koaxial verbunden sind, einer Spritzscheibe (14) und einem Dichtringträger (15) auf dem Wellenstummel (10) als Fädelteile, dadurch gekennzeichnet, dass in den Radiallagem (8) eine Hülse (17) vorgesehen ist, in der die Wellenstummel (9, 10) zentriert sind, die die Wellenstummel (9, 10) umfassende Hülse (17) in dem mindestens einen Radiallager (8) drehbar gelagert ist und von Fädelteilen (11, 12, 14, 15) mindestens eine Axiallagerscheibe (12) auf den Wellenstummeln (9, 10) durch Verschrauben der Wellenstummel (9, 10) mit der Hülse reibschlüssig klemmbar ist.
Abgasturbolader (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wellenstummel (10) am Verdichterlaufrad (4) aus einem anderen Material, insbesondere einem höherfesten Material, wie Titan oder Stahl, als das Material des Laufrads (4), wie Aluminium ist.
Abgasturbolader (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Dichtringträger (15) einteilig ist mit dem Wellenstummel (10) am Verdichterlaufrad (4).
Abgasturbolader (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Spritzscheibe (14) und eine Ölspritzscheibe (11) auf einem radialen Absatz des Wellenstummels (10) befestigt sind.
Abgasturbolader (1) gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der radiale Absatz des Wellenstummels (10) Widerlager für die Axiallagerscheibe (12) ist.
Verfahren zur Montage eines Abgasturboladers (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche mit den Schritten: Fügen von Wellenstummel (10) an Verdichterlaufrad (4) durch Löten oder Reibschweißen, Montieren von Lagern (8) in eine Lagerbüchse (7), in ein Lagergehäuse (6), Einschieben der Hülse (17) in die Lager (8), Einschieben des auf dem Laufrad (2) der Abgasturbine (3) montierten Wellenstummels (9) durch eine Ölspritzscheibe (11) von der Seite der Abgasturbine (3), Einschieben des auf dem Verdichterlaufrad (4) montierten Wellenstummels (10) mit einer Axiallagerscheibe (12), dem Axiallager (13), der Spritzscheibe (14), dem Deckel (16), dem Dichtringträger (15) auf diesem Wellenstummel (10) von der Seite des Verdichters (5) in die Hülse (17) und Verschrauben der Wellenstummel (9, 10), so dass von Fädelteilen (11, 12, 14, 15) mindestens die Axiallagerscheibe (12) von der Hülse (17) reibschlüssig geklemmt ist.