DE102009009130B4

DE102009009130B4 - Turbolader, vorzugsweise mit variabler Turbinengeometrie

Info

Publication number: DE102009009130B4
Application number: DE102009009130.0A
Authority: DE
Inventors: Andreas Wengert; Timo Tries; Dr. Stein Matthias
Original assignee: BMTS Technology GmbH and Co KG
Current assignee: BMTS Technology GmbH and Co KG
Priority date: 2009-02-17
Filing date: 2009-02-17
Publication date: 2020-12-24
Anticipated expiration: 2029-02-18
Also published as: DE102009009130A1

Abstract

Turbolader, bei dem im Turbinengehäuse (5) innerhalb eines das Turbinenrad (2) umfangsseitig umfassenden radialen Ringspaltes (7) für zum Turbinenrad strömende Ab- bzw. Treibgase an einem einen Teil der einen Radialwand des Ringspaltes (7) bildenden Trägerring (11) Leitschaufeln (8) angeordnet und für eine variable Turbinengeometrie um zur Turbinenradachse im Wesentlichen parallele Achsen (9) schwenkbar gelagert sind, und wobei der axial beweglich angeordnete Trägerring (11) von einer Anschubfederung (16, 18) gegen ringförmig im bzw. am Ringspalt (7) angeordnete Distanzkörper (15) gespannt wird und auf seiner von den Distanzkörpern (15) abgewandten Stirnseite innerhalb einer zur Turbinenradachse zentrischen Ringzone von der Anschubfederung (16, 18) beaufschlagt ist, wobei zwischen Trägerring (11) und Anschubfederung (16, 18) eine Wärmestromdrosselanordnung (17, 19) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Anschubfederung (16, 18) eine Vielzahl von vereinzelt angeordneten Druckfedern (18) aufweist, die jeweils zwischen einem relativ stationären Gehäuseteil (3) des Turboladers und der zugewandten Stirnseite des Trägerringes (11) eingespannt sind.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Turbolader bei dem im Turbinengehäuse innerhalb eines das Turbinenrad umfangsseitig umfassenden radialen Ringspaltes für zum Turbinenrad strömende Treibgase an einem einen Teil der einen Radialwand des Ringspaltes bildenden Trägerring Leitschaufeln angeordnet und vorzugsweise für eine variable Turbinengeometrie um zur Turbinenradachse im Wesentlichen parallele Achsen schwenkbar gelagert sind.
Aus der DE 10 2008 000 852 A1 sowie der DE 20 2005 009 491 U1 und der EP 1 672 177 A1 sind jeweils Turbolader mit variabler Turbinengeometrie bekannt, wobei die zugehörigen Leitschaufeln an einem Trägerring angeordnet sind, der seinerseits im Gehäuse axial verschiebbar angeordnet ist und von einer Scheibenfeder, die radial zwischen einem der Rotorachse benachbarten Gehäusebereich und dem radialen Innenbereich des Trägerrings angeordnet ist, gegen gehäuseseitige Anschläge gespannt wird.
Aus der DE 10 2008 000 776 A1 ist ein für eine variable Turbinengeometrie vorgesehener Leitapparat bekannt, der durch Schraubendruckfedern axial gegen Gehäuseteile gespannt ist.
Die WO 2007/104535 A1 zeigt ebenfalls einen Turbolader mit variabler Turbinengeometrie.
Derartige Turbolader werden serienmäßig als Abgasturbolader für Verbrennungsmotoren von Kraftfahrzeugen eingesetzt. Die Leitschaufeln lassen sich zwischen einer Lage, in der die Schaufelebene im Wesentlichen tangential zu einer zur Turbinenradachse zentrischen Zylinderfläche ausgerichtet sind, und einer Stellung mit zur Turbinenradachse im Wesentlichen radialer Schaufelebene verstellen. Damit ist eine Anpassung des Turbinenbetriebs an unterschiedliche Abgas- bzw. Treibgasströme möglich. Wenn nur ein vergleichsweise kleiner Abgas- bzw. Treibgasstrom zur Verfügung steht, nehmen die Leitschaufeln die oben erstgenannte Lage ein, so dass die Treibgase das Turbinenrad mit einer starken Strömungskomponente in Umfangsrichtung des Turbinenrades beaufschlagen. Bei großen Treibgas- bzw. Abgasströmen werden die Leitschaufeln dagegen in die oben angegebene zweite Stellung gebracht, so dass die Treib- bzw. Abgase mit einer großen Strömungskomponente in Radialrichtung des Turbinenrades auf das Turbinenrad zuströmen.
Im Ergebnis wird weitestgehend unabhängig von der Strömung der Treib- bzw. Abgase ein guter Wirkungsgrad der Turbine erreicht.
Entsprechend den sehr hohen Treib- bzw. Abgastemperaturen wird der Turbinenbereich eines Turboladers thermisch äußerst hoch belastet. Dies bedeutet, dass im Turbinenbereich mit relativ großen temperaturabhängigen Veränderungen der Maße der von den Treib- bzw. Abgasen beaufschlagten Bauteile gerechnet werden muss, diese Materialien haben ebenfalls große temp. Längenänderungen. Unter diesen Umständen ist es grundsätzlich zweckmäßig, auf große einteilige Baugruppen zu verzichten und die Baugruppen in miteinander federnd verspannte Bauteile zu segmentieren.
Dementsprechend ist bei der Erfindung ein axial beweglich angeordneter und von einer Anschubfederung gegen ringförmig im bzw. am Ringspalt angeordnete Anschläge gespannter Trägerring vorgesehen.
Hier tritt nun das Problem auf, dass vom Trägerring, der beim Betrieb des Turboladers eines der heißesten Bauteile darstellt, ein hoher Wärmestrom auf die Anschubfederung übergeleitet wird. Dementsprechend werden bei bisherigen Turboladern für die Anschubfederung extrem teure Materialien notwendig, wobei in der Regel sogar noch Einschränkungen bezüglich des Federverhaltens der Anschubfederung sowie der Lebensdauer in Kauf genommen werden müssen.
Deshalb ist es Aufgabe der Erfindung, das Betriebsverhalten der Anschubfederung zu verbessern.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass zwischen dem Trägerring und der Anschubfederung eine Wärmestromdrossel angeordnet ist.
Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, den vom Trägerring auf die Anschubfederung übergehenden Wärmestrom soweit als möglich zu begrenzen und zu diesem Zweck zwischen Anschubfederung und Trägerring Materialien mit schlechtem Wärmeleitvermögen zwischenzuschalten. Dazu weist die Anschubfederung eine Vielzahl von vereinzelt angeordneten Druckfedern auf, die jeweils zwischen einem relativ stationären Gehäuseteil des Turboladers und der zugewandten Stirnseite des Trägerringes eingespannt sind.
Die Wärmestromdrossel kann als separates Bauteil, beispielsweise in Form einer Scheibe oder eines Topfes, aus Keramik- oder Karbonmaterial oder sonstigen kohlenstoffhaltigen Materialien oder auch aus Glas ausgebildet sein. Stattdessen ist es auch möglich, am Trägerring und/oder an der Anschubfederung Beschichtungen mit schlechtem Wärmeleitvermögen vorzusehen.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung kann die Anschubfederung als ringförmige Tellerfeder ausgebildet sein, deren Außenumfangszone axial gegen eine innere Ringzone des Trägerrings und deren Innenumfangszone axial gegen eine Ringzone eines Gehäusekörpers des Turboladers gespannt ist. Diese Tellerfeder kann gleichzeitig einen Hitzeschild für den Gehäusekörper auf der vom Turbinenrad abgewandten Seite der Tellerfeder bilden.
Im Übrigen kann die Anschubfederung auch durch mehrere diskrete Federaggregate, beispielsweise mehrere zylindrische oder konische Schraubenfedem gebildet werden, die zwischen der vom Turbinenrad abgewandten Seite des Trägerrings und einer zugewandten Seite eines Gehäusekörpers des Turboladers eingespannt sind. Dabei können zwischen die Schraubenfedern und den Trägerring napfförmige Federhülsen zwischengeschaltet sein, welche aus schlecht wärmeleitendem Material bestehen und damit den Wärmestrom vom Trägerring zu den vorgenannten Schraubenfedern deutlich vermindern.
Die vorgenannten diskreten Federaggregate bieten den Vorteil, dass bezüglich ihrer Anordnung eine große konstruktive Freiheit besteht. In diesem Zusammenhang ist zu berücksichtigen, dass auf der vom Turbinenrad abgewandten Seite des Trägerrings mit den Schwenkachsen der Leitschaufeln gekoppelte Verstellaggregate angeordnet sind, die den möglichen Unterbringungsraum der Federaggregate beschränken. Andererseits verbleibt zwischen den Verstellaggregaten hinreichend Platz für die nur ein geringes Bauvolumen aufweisenden diskreten Federaggregate. Im Ergebnis bleibt damit die Möglichkeit bestehen, die Federaggregate optimal zu platzieren, so dass der Trägerring trotz der Andruckkräfte der Federaggregate und der hohen thermischen Belastung eine optimale Form behält.
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 angegebene oder dargestellte Merkmalskombinationen, sondern auch für prinzipiell beliebige Kombinationen der angegebenen oder dargestellten Einzelmerkmale beansprucht.
In der Zeichnung zeigt die einzige Figur einen Axialschnitt eines Turboladers im Bereich des Turbinenrades.
Der erfindungsgemäße Turbolader besitzt in grundsätzlich bekannter Weise eine Rotorwelle 1, die an ihrem einen axialen Ende drehfest mit einem Turbinenrad 2 und an ihrem anderen axialen Ende mit einem nicht dargestellten Verdichterrad verbunden ist. Die Rotorwelle 1 ist in einem in der Zeichnung nur ausschnittsweise dargestellten Lagergehäuse 3 drehgelagert, wobei regelmäßig hydrostatische oder hydrodynamische Lager vorgesehen sind, die beim Betrieb des Turboladers ständig mit Schmieröl versorgt werden. Um zu verhindern, dass das Schmieröl in den Arbeitsbereich des Turbinenrades 2 gelangen kann, ist an der turbinenradseitigen Stirnseite des Lagergehäuses 3 eine Dichtung 4 vorgesehen.
Das Turbinenrad 2 ist in einem Turbinengehäuse 5 untergebracht, welches an die zugewandte Stirnseite des Lagergehäuses 3 angeflanscht ist. Das Turbinengehäuse 5 besitzt einen das Turbinenrad 2 umfassenden Spiralkanal 6, in den die das Turbinenrad 2 beaufschlagenden Treib- bzw. Abgase einströmen und aus dem sie über einen radialen Ringspalt 7 zum Turbinenrad 2 geleitet werden. Innerhalb des Ringspaltes 7 sind Leitschaufeln 8 angeordnet, die drehfest mit Schwenkachsen 9 verbunden sind und sich aus einer Lage, in der die Leitschaufelebene zumindest annähernd in einer Axialebene des Turbinenrades 2 liegt, und einer Lage, in der die Leitschaufelebene etwa tangential zum Turbinenrad 2 ausgerichtet ist, verstellen lassen. Der Ringspalt 7 wird auf der Seite des Turbinengehäuses 5 durch eine im Turbinengehäuse 5 angeordnete ringscheibenförmige Deckscheibe 10 und auf der Seite des Lagergehäuses 3 durch einen ringscheibenförmigen Trägerring 11 begrenzt, der die Schwenkachsen 9 der Leitschaufeln 8 lagert und zusammen mit der zugewandten Stirnseite des Lagergehäuses 3 einen Steuerraum 12 begrenzt, in dem die zur Verstellung der Leitschaufeln 8 vorgesehene Stellelemente untergebracht sind. Dabei handelt es sich im Wesentlichen um an den Schwenkachsen 9 drehfest angeordnete Stellhebel 13, deren freie Enden mit einem zur Achse des Turbinenrades 2 gleichachsigen Stellring 14 gekoppelt sind, derart, dass die Stellhebel 13 und damit die Leitschaufeln 8 bei Drehung des Stellringes 14 um die Achse des Turbinenrades 2 geschwenkt werden.
An der Deckscheibe 10 oder dem Trägering 11 sind Distanzkörper 15 angeordnet, durch die die Mindestbreite des Ringspaltes 7 bestimmt wird. Der Trägerring 11 wird von einer Anschubfederung 16' gegen die zugewandten Stirnseiten der Distanzkörper 15 gespannt, so dass die Breite des Ringspaltes 7 in Achsrichtung des Turbinenrades 2 durch die Distanzkörper 15 bestimmt wird.
Als Anschubfederung kann gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung eine ringscheibenförmige Tellerfeder 16 vorgesehen sein, die zwischen einander zugewandten Stirnwandzonen des Trägerringes 11 und des Lagergehäuses 3 eingespannt ist. Die Tellerfeder 16 übernimmt dabei des Weiteren die Funktion einer Abdichtung des Steuerraumes 12 am Innenumfang des Trägerringes 11 sowie eines Hitzeschildes für das Lagergehäuse 3. Um die thermische Belastung der Tellerfeder 16 bzw. des davon gebildeten Hitzeschildes zu vermindern, ist zwischen der ringförmigen Auflagezone der Tellerfeder 16 am Trägerring 11 und dem Außenrand der Tellerfeder 16 eine Ringscheibe 17 aus einem schlecht wärmeleitenden Material eingespannt. Funktionsmäßig bildet also die Ringscheibe 17 eine Wärmestromdrossel zur Verminderung des vom Trägerring 11 auf die Tellerfeder bzw. den Hitzeschild 16 übergehenden Wärmestroms. Überraschenderweise hat sich gezeigt, dass auf diese Weise die thermische Belastung der Tellerfeder 16 bzw. des davon gebildeten Hitzeschildes deutlich vermindert wird, obwohl die durch den Ringspalt 7 strömenden sehr heißen Treib- bzw. Abgase die Tellerfeder 16 auch direkt beaufschlagen können.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann vorgesehen sein, dass anstelle der Tellerfeder 16 lediglich eine den Steuerraum 12 am Innenrand des Trägerringes 11 abschließende Dichtung, gegebenenfalls mit Hitzeschildfunktion für das Lagergehäuse 3, angeordnet ist und die Anschubfederung durch diskret angeordnete Federaggregate 18 gebildet wird. Wie zeichnerisch dargestellt ist, kann jedes Federaggregat 18 eine vorzugsweise konische Schraubendruckfeder aufweisen, deren eines Ende in einer Sackbohrung des Lagergehäuses 3 und deren anderes Ende in einer napfförmigen Federhülse 19 angeordnet ist, die ihrerseits in einer entsprechenden Ausnehmung auf der zugewandten Stirnseite des Trägerringes 11 untergebracht ist.
Die Federhülse ist wiederum als Wärmeleitdrossel ausgebildet, das heißt sie besteht aus einem schlecht wärmeleitenden Material, so dass vom Trägerring 11, der beim Betrieb des Turboladers eines der heißesten Bauteile darstellt, nur ein vergleichsweise geringer Wärmestrom auf die Federaggregate 18 übergehen kann. Da die Federaggregate 18 mit ihren Federhülsen 19 nur ein geringes Bauvolumen aufweisen, lassen sie sich an vielfältigen Positionen unterbringen, so dass bezüglich der Anordnung der Federaggregate 18 eine große konstruktive Freiheit besteht, obwohl innerhalb des Steuerraumes 12 für die Stellhebel 13 sowie den Stellring 14 und damit zusammenwirkende Stellorgane vergleichsweise viel Freiraum benötigt wird.
Abweichend von der zeichnerischen Darstellung können die Federaggregate 18 auch als Tellerfederpakete oder als Wellenfederpakete ausgebildet sein.
In jedem Fall ist als erfindungswesentliches Merkmal vorgesehen, die zum Anschub des Trägerringes 11 gegen die Deckscheibe 10 bzw. das Turbinengehäuse 5 vorgesehenen Federorgane gegenüber dem vom Trägerring 11 kommenden Wärmestrom durch Wärmeleitdrosseln abzuschirmen.
Die Erfindung ist nicht auf die zeichnerisch dargestellten Turbolader mit variabler Turbinengeometrie, die durch schwenkbare Leitschaufeln erreicht wird, beschränkt. Vielmehr bezieht sich die Erfindung auch auf Turbolader mit am Trägerring fixierten Leitschaufeln, d.h. mit invariabler Turbinengeometrie.

Claims

Turbolader, bei dem im Turbinengehäuse (5) innerhalb eines das Turbinenrad (2) umfangsseitig umfassenden radialen Ringspaltes (7) für zum Turbinenrad strömende Ab- bzw. Treibgase an einem einen Teil der einen Radialwand des Ringspaltes (7) bildenden Trägerring (11) Leitschaufeln (8) angeordnet und für eine variable Turbinengeometrie um zur Turbinenradachse im Wesentlichen parallele Achsen (9) schwenkbar gelagert sind, und wobei der axial beweglich angeordnete Trägerring (11) von einer Anschubfederung (16, 18) gegen ringförmig im bzw. am Ringspalt (7) angeordnete Distanzkörper (15) gespannt wird und auf seiner von den Distanzkörpern (15) abgewandten Stirnseite innerhalb einer zur Turbinenradachse zentrischen Ringzone von der Anschubfederung (16, 18) beaufschlagt ist, wobei zwischen Trägerring (11) und Anschubfederung (16, 18) eine Wärmestromdrosselanordnung (17, 19) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Anschubfederung (16, 18) eine Vielzahl von vereinzelt angeordneten Druckfedern (18) aufweist, die jeweils zwischen einem relativ stationären Gehäuseteil (3) des Turboladers und der zugewandten Stirnseite des Trägerringes (11) eingespannt sind.
Turbolader nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Schraubendruckfedern oder Tellerfederpakete oder Wellenfederpakete ausgebildete Druckfedern vorgesehen sind.
Turbolader nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckfedern jeweils benachbart zu einer der Schwenkachsen (9) und/oder zwischen benachbarten Schwenkachsen (9) angeordnet sind.
Turbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckfedern (18) radial benachbart zu den Distanzkörpern (15) angeordnet sind.
Turbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeleitdrosselanordnung aus einer Keramik, einem Karbonmaterial, einem kohlenstoffhaltigen Material und/oder einem Glas besteht.
Turbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Trägerring (11) und/oder die zugewandte Seite der als Anschubfederung vorgesehenen Federelemente (16, 18) mit einem Wärmeströme drosselnden Material beschichtet sind.