DE102008057877A1 - Turbolader - Google Patents

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DE102008057877A1
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Claus Fleig
Andreas Wengert
Markus Eble
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BMTS Technology GmbH and Co KG
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Bosch Mahle Turbo Systems GmbH and Co KG
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01DNON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D17/00Regulating or controlling by varying flow
    • F01D17/10Final actuators
    • F01D17/12Final actuators arranged in stator parts
    • F01D17/14Final actuators arranged in stator parts varying effective cross-sectional area of nozzles or guide conduits
    • F01D17/16Final actuators arranged in stator parts varying effective cross-sectional area of nozzles or guide conduits by means of nozzle vanes
    • F01D17/165Final actuators arranged in stator parts varying effective cross-sectional area of nozzles or guide conduits by means of nozzle vanes for radial flow, i.e. the vanes turning around axes which are essentially parallel to the rotor centre line
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05DINDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2220/00Application
    • F05D2220/40Application in turbochargers

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf den Turbinenteil eines Turboladers mit variabler Turbinengeometrie, welche in einer dem Umfang des Turbinenrades radial benachbarten Ringzone angeordnete verstellbare Leitschaufeln aufweist, die an einem zum Turbinenrad gleichachsigen Trägerring um zur Turbinenradachse im Wesentlichen parallele Achsen schwenkbar angeordnet sind. Dabei ist eine radial zwischen dem Trägerring und einem benachbarten Gehäuseteil des Turboladers verbleibende Trennfuge durch ein flexibles Schild gegenüber das Turbinenteil durchsetzende Gase abgeschirmt. Erfindungsgemäß ist der Schild als am Innen- und/oder Außenumfang des Trägerrings angeordneter tellerfederartiger Ringflansch ausgebildet und vorzugsweise einstückig am Trägerring angeformt.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf einen Turbolader, dessen Turbinenteil eine variable Turbinengeometrie mit in einer dem Umfang des Turbinenrades radial benachbarten Ringzone angeordneten verstellbaren Leitschaufeln aufweist, die an einem zum Turbinenrad gleichachsigen Trägerring um zur Turbinenachse im Wesentlichen parallele Achsen schwenkbar angeordnet sind, wobei eine radial zwischen dem Trägerring und einem benachbarten Gehäuseteil verbleibende Trennfuge durch ein flexibles Schild gegenüber das Turbinenteil durchsetzende Gase abgeschirmt ist.
  • Derartige Turbolader mit variabler Turbinengeometrie werden bereits serienmäßig in Kraftfahrzeugen zur Erhöhung der Leistung der jeweiligen Fahrzeugmotoren eingesetzt. Mittels der verstellbaren Leitschaufeln können die das Turbinenrad treibenden Gase je nach ihrer Stromstärke in optimierter Strömung dem Turbinenrad zugeleitet werden. Wenn nur ein Gasstrom mit geringer Stromstärke zur Verfügung steht, werden die Leitschaufeln in eine Lage geschwenkt, bei der die Schaufelebene im Wesentlichen tangential zu einem die Achsen der Leitschaufeln durchsetzenden, zum Turbinenrad gleichachsigen Kreis liegt. Dadurch werden die für die das Turbinenrad treibenden Gase zwischen den Leitschaufeln zur Verfügung stehenden Querschnitte stark eingeschränkt, mit der Folge, dass eine sehr hohe Strömungsgeschwindigkeit der Gase erreicht wird. Sobald ein Gasstrom mit hoher Stromstärke zur Verfügung steht, werden die Leitschaufeln derart verschwenkt, dass die Schaufelebenen den vorgenannten Kreis unter einem mehr oder weniger großen Winkel durchsetzen. Auf diese Weise kann dem Gasstrom ein mit dessen Stromstärke zunehmender freier Querschnitt zwischen den Leitschaufeln geboten werden.
  • Die dem Turbinenrad zugewandte Stirnseite des Trägerrings bildet zusammen mit daran radial anschließenden Wandteilen des Turboladergehäuses eine den zum Turbinenrad geführten Gasstrom begrenzende Wandung, die in der Regel hohen Temperaturen ausgesetzt ist. Auf der vom Turbinenrad abgewandten Stirnseite des Trägerrings sind in einem entsprechenden Freiraum des Turboladergehäuses mit den Achsen der Leitschaufeln antriebsgekoppelte Verstellorgane für die Leitschaufeln angeordnet. Dieser Verstellmechanismus soll von den heißen Turbinengasen abgeschirmt werden. Dabei muss insbesondere gewährleistet, dass die Turbinengase den Verstellmechanismus nicht durch Trennfugen zwischen dem Trägerring und radial anschließenden Gehäuseteilen erreichen können.
  • Zu diesem Zweck sind an den Trennfugen regelmäßig Schilde angeordnet, die auch als Hitzeschilde bezeichnet werden. Diese Schilde sind typischerweise flexibel ausgebildet, derart, dass sie Relativbewegungen zwischen dem Trägerring und den radial angrenzenden Gehäuseteilen folgen können. Mit derartigen Relativbewegungen muss aufgrund der thermischen Belastung der den Gasstrom begrenzenden Bauteile und gerechnet werden, das heißt die Bauteile besitzen entsprechend der veränderlichen Umgebungstemperatur veränderliche Maße.
  • Aus der WO 2008/036862 A2 ist ein Turbolader der eingangs angegebenen Art mit einem Hitzeschild zwischen dem Trägerring und angrenzenden Gehäuseteilen bekannt.
  • Bislang ist der für die Montage der Schilde notwendige Aufwand unerwünscht hoch. Deshalb ist es Aufgabe der Erfindung, eine den Montageaufwand deutlich vermindernde Konstruktion zu schaffen.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Schild jeweils als am Innen- oder Außenumfang des Trägerrings angeordnete tellerfederartige Ringscheibe ausgebildet ist.
  • Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, den Trägerring mit dem zugeordneten Schild zu einer einstückig montierbaren Baugruppe zusammenzufassen.
  • Auf diese Weise wird der Vorteil erreicht, dass der für die Montage des Turboladers vorgesehenen Fertigungsstrasse nur vergleichsweise wenige separate Teile bzw. Baugruppen zugeführt und weniger Teile bzw. Baugruppen montiert werden müssen.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Schild bzw. die den Schild bildende Ringscheibe einstückig am Trägerring angeformt.
  • Hier wird der Vorteil genutzt, dass bei entsprechender Form des Trägerrings ein multifunktionales Bauteil mit Tragfunktion für die verstellbaren Leitschaufeln und Schutz- bzw. Abschirmfunktionen für konstruktiv notwendige Trennfugen erreicht werden kann.
  • Im Übrigen kann in Anpassung an die jeweiligen Gegebenheiten vorgesehen sein, den Ringflansch entweder am turbinenradseitigen axialen Rand des jeweiligen Umfangs des Trägerrings oder am turbinenradfernen axialen Rand anzuordnen.
  • Schließlich kann der Ringflansch eine vorgegebene Konizität aufweisen.
  • Im Übrigen wird hinsichtlich bevorzugter Merkmale der Erfindung auf die Ansprüche und die nachfolgende Erläuterung der Zeichnung verwiesen, anhand der besonders bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung näher beschrieben werden.
  • Schutz wird nicht nur für ausdrücklich angegebene oder dargestellte Merkmalskombinationen, sondern auch für prinzipiell beliebige Kombinationen der angegebenen oder dargestellten Einzelmerkmale beansprucht.
  • In der Zeichnung zeigt
  • 1 einen stark schematisierten Axialschnitt des Turbinenteils eines Turboladers, der eine variable Turbinengeometrie entsprechend der eingangs angegebenen Art aufweist,
  • 2 einen Axialschnitt einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Trägerrings mit tellerfederartigem Ringflansch,
  • 3 einen Axialschnitt einer weiteren Ausführungsform, und
  • 4 einen Axialschnitt einer dritten Ausführungsform.
  • Der in 1 dargestellte Turbinenteil eines Turboladers umfasst ein Turbinenrad 1, dessen Welle in einem benachbarten Lagergehäuse 2 drehgelagert ist. Dabei ist das Turbinenrad 1 in einem Turbinengehäuse 3 angeordnet, welches im Wesentlichen aus einem Außenkörper 4 sowie einem Innenkörper 5 besteht. Außen- und Innenkörper 4, 5 umschließen einen das Turbinenrad 1 umfassenden Spiralkanal 6, in den die das Turbinenrad 1 treibenden Gase zunächst einströmen und aus dem diese Gase über einen ringförmigen Spaltraum 7 auf das Turbinenrad 1 geleitet werden. Der Spaltraum 7 wird einerseits durch eine Radialwand 8 des Innenkörpers 5 und andererseits durch einen die Innenwand des Außenkörpers 4 radial fortsetzenden Trägerring 9 begrenzt. Am Trägerring 9 sind Leitschaufeln 10 um zur Welle des Turbinenrades 1 parallele Achsen schwenkbar angeordnet, derart, dass die Leitschaufeln 10 mit ihren Leitschaufelebenen einerseits tangential zu einem zur Turbinenradwelle konzentrischen, die Achsen der Leitschaufeln 10 enthaltenden Zylinder und andererseits schräg bzw. nahezu senkrecht zu der Zylinderfläche eingestellt werden können. Mit den Leitschaufeln 10 lassen sich somit der Anströmwinkel, unter dem die Turbinengase auf das Turbinenrad 1 auftreffen und andererseits die den Turbinengasen im Spaltraum 7 zur Verfügung stehenden Durchtrittsquerschnitte verändern. Auf der vom Spiralkanal 6 abgewandten Stirnseite des Trägerrings 9 ist innerhalb des Turboladergehäuses ein hinreichender Freiraum für eine Verstellanordnung der Leitschaufeln 10 vorgesehen. Diese Verstellanordnung umfasst in der Regel mit den Drehachsen 10' der Leitschaufeln 10 drehfest verbundene Schwenkhebel 11, deren freie Enden mit einem zum Trägerring gleichachsigen Stellring 12 gekoppelt sind, derart, dass bei Drehverstellung des Stellringes 12 relativ zum Trägerring 9 die Leitschaufeln 10 geschwenkt werden. Der die vorgenannten Stellelemente 11 und 12 aufnehmende Raum ist gegenüber einem Zutritt der heißen Turbinengase dadurch abgeschirmt, dass die den Spiralkanal 6 begrenzende Innenwand des Außenkörpers 4 den radial äußeren Rand des Trägerrings 9 radial überlappt. Außerdem ist zwischen dem radial inneren Rand des Trägerrings 9 und einem ringförmigen Bereich der turbinenradseitigen Stirnseite des Lagergehäuses 2 ein Hitzeschild 13 angeordnet, welcher nach Art einer Tellerfeder ausgebildet ist und den Trägerring 9 relativ zum Lagergehäuse 2 in Richtung des Innenkörpers 5 spannt. Durch einen axialen Abstandsraum zwischen dem Hitzeschild 13 und der zugewandten Stirnseite des Lagergehäuses 2 wird eine weitgehende thermische Trennung zwischen den das Turbinenrad 1 beaufschlagenden Turbinengasen und dem Lagergehäuse 2 gewährleistet.
  • Erfindungsgemäß ist nun vorgesehen, dass der Trägerring 9 und der Hitzeschild 13 eine einteilige Baugruppe bilden und dementsprechend gemeinsam montiert werden können, wobei an die entsprechende Montagestation einer Fertigungsstrasse jeweils nur eine einzige einen Trägerring 9 sowie den zugeordneten Hitzeschild 13 umfassende Baugruppe angeliefert werden muss. Anstelle einer gebauten Einheit kann auch eine einstückige Bauweise vorgesehen sein. Dies ist beispielhaft in den 2 bis 4 dargestellt.
  • Die 2 bis 4 zeigen jeweils einen Axialschnitt des Trägerrings 9, wobei auch eine der zur Aufnahme der Leitschaufelachsen 10' dienenden Axialbohrungen 14 in der jeweiligen Schnittebene liegt.
  • Im Beispiel der 2 ist am Innenumfang des Trägerrings 9 eine tellerfederartige konische Ringfläche 15 angeformt, deren freier, radial innerer Rand federnd an einer Ringzone 16 eines Teils des Gehäuses des Turboladers, etwa am Lagergehäuse 2 anliegt. Gemäß 3 kann die Ringfläche gegebenenfalls auch im Wesentlichen eben ausgebildet sein. Gemäß 4 kann die tellerfederartige Ringfläche 15 auch am Außenumfang des Trägerrings 9 einstückig angeformt sein.
  • 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
    • - WO 2008/036862 A2 [0005]

Claims (5)

  1. Turbinenteil eines Turboladers, mit variabler Turbinengeometrie, welche in einer dem Umfang des Turbinenrades (1) radial benachbarten Ringzone (7) angeordnete verstellbare Leitschaufeln (10) aufweist, die an einem Trägerring (9) um zur Turbinenradachse im Wesentlichen parallele Achsen (10') schwenkbar angeordnet sind, wobei eine radial zwischen dem Trägerring (9) und einem benachbarten Gehäuseteil (2) verbleibende Trennfuge durch ein flexibles Schild gegenüber das Turbinenteil durchsetzende Gase abgeschirmt ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Schild (13) jeweils als am Innen- und/oder Außenumfang des Trägerrings (9) angeordneter tellerfederartiger Ringflansch (15) ausgebildet ist.
  2. Turbinenteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ringflansch (15) einstückig am Trägerring (9) angeformt ist.
  3. Turbinenteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Ringflansch (15) am turbinenradseitigen axialen Rand eines Umfanges des Trägerrings (9) angeordnet ist.
  4. Turbinenteil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Ringflansch (15) am turbinenradfernen axialen Rand eines Umfanges des Trägerrings (9) angeordnet ist.
  5. Turbinenteil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Ringflansch konische Form aufweist.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2008036862A2 (en) 2006-09-22 2008-03-27 Honeywell International Inc. Variable-nozzle cartridge for a turbocharger

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