DE102009014005A1

DE102009014005A1 - Rotierende Strömungsmaschine

Info

Publication number: DE102009014005A1
Application number: DE200910014005
Authority: DE
Inventors: Martin Dr. Schlegl; Michal Klusácek
Original assignee: Bosch Mahle Turbo Systems GmbH and Co KG
Current assignee: BMTS Technology GmbH and Co KG
Priority date: 2009-03-19
Filing date: 2009-03-19
Publication date: 2010-09-23

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine rotierende Strömungsmaschine (1) mit einem ein Verdichterrad (4) und/oder ein Turbinenrad (5) aufweisenden Rotor (3), der um eine Rotationsachse (6) drehbar gelagert ist, und mit einem scheibenförmigen Hitzeschutzschild (7), das bezüglich der Rotationsachse (6) axial zwischen zwei Komponenten (4, 5) der Strömungsmaschine (1) angeordnet ist, die im Betrieb der Strömungsmaschine (1) verschiedene Temperaturen aufweisen. Eine verbesserte Hitzebeständigkeit lässt sich erreichen, wenn das Hitzeschutzschild (7) mit dem Rotor (3) drehfest verbunden ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine rotierende Strömungsmaschine mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung einen Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 12.
Aus der EP 1 816 317 A2 ist eine als Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, ausgestaltete rotierende Strömungsmaschine bekannt, die einen ein Verdichterrad und/oder ein Turbinenrad aufweisenden Rotor aufweist, der um eine Rotationsachse drehbar in einem Gehäuse der Strömungsmaschine gelagert ist. Ferner weist der bekannte Turbolader ein im Gehäuse fest angeordnetes scheibenförmiges Hitzeschutzschild auf, das bezüglich der Rotationsachse axial zwischen zwei Komponenten des Turboladers angeordnet ist, die im Betrieb des Turboladers verschiedene Temperaturen aufweisen. Beim bekannten Abgasturbolader ist das Hitzeschutzschild am Gehäuse befestigt und zwischen einer Stelleinrichtung zum Betätigen einer verstellbaren Turbinenleitschaufelreihe und einem in radialer Richtung aufgeweiteten Gehäuseabschnitt angeordnet, um eine Überhitzung dieses Gehäuseabschnitts zu vermeiden.
Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, für eine Strömungsmaschine bzw. für einen Abgasturbolader eine verbesserte oder zumindest eine andere Ausführungsform anzugeben, die sich insbesondere dadurch auszeichnet, dass die Strömungsmaschine eine verbesserte Hitzebeständigkeit aufweist.
Erfindungsgemäß wird dieses Problem durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, das Hitzeschutzschild rotorseitig anzuordnen. Hierdurch können insbesondere rotierende Komponenten der Strömungsmaschine vor einer überhöhten Wärmeübertragung geschützt werden. Hierzu ist das Hitzeschutzschild mit dem Rotor drehfest verbunden.
Entsprechend einer besonders vorteilhaften Ausführungsform kann das Hitzeschutzschild zumindest an einer axialen Seite eine TBC-Beschichtung aufweisen, wobei TBC für Thermal Barrier Coating steht. Eine derartige TBC-Beschichtung zeichnet sich durch eine besonders hohe Hitzebeständigkeit, eine schlechte Wärmeleitfähigkeit und somit durch eine hohe Wärmedämmfähigkeit aus. Sie kann beispielsweise durch Keramikmaterial sowie durch hochlegierte Stähle realisiert werden.
Entsprechend einer besonders vorteilhaften Ausführungsform können das Turbinenrad und das Verdichterrad aneinander befestigt sein, derart, dass axial zwischen Turbinenrad und Verdichterrad ein Zwischenraum ausgebildet ist, in dem das Hitzeschutzschild angeordnet ist. Durch die Befestigung des Turbinenrads am Verdichterrad baut der Rotor in axialer Richtung sehr kurz, wodurch es insbesondere möglich ist, auf eine zentrale radiale Lagerung zu verzichten. Insbesondere ist auch keine durchgehende Rotorwelle erforderlich. Die Integration des Hitzeschutzschilds in den Abstandsraum zwischen Turbinenrad und Verdichterrad führt zu einem effizienten Schutz des Verdichterrads vor Überhitzung.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus der Zeichnung und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnung.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Die einzige 1 zeigt einen stark vereinfachten, prinzipiellen Längsschnitt durch einen Rotor einer Strömungsmaschine, insbesondere eines Abgasturboladers.
Entsprechend 1 umfasst eine nur teilweise dargestellte rotierende Strömungsmaschine, bei der es sich bevorzugt um einen Abgasturbolader 2 einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, handelt, einen Rotor 3, der ein Verdichterrad 4 und/oder ein Turbinenrad 5 aufweist. Im Beispiel weist der Rotor 3 sowohl ein Verdichterrad 4 als auch ein Turbinenrad 5 auf. Der Rotor 3 ist um eine Rotationsachse 6 drehbar in einem hier nicht gezeigten Gehäuse der Strömungsmaschine 1 bzw. des Turboladers 2 gelagert. Das Turbinenrad 5 ist hier exemplarisch als Radialturbinenrad 5 ausgestaltet. Im Beispiel ist das Verdichterrad 4 exemplarisch als Radialverdichterrad 4 ausgestaltet.
Die Strömungsmaschine 1 bzw. der Turbolader 2 weist außerdem ein Hitzeschutzschild 7 auf, das scheibenförmig ausgestaltet ist und das bezüglich der Rotationsachse 6 zwischen zwei Komponenten der Strömungsmaschine 1 bzw. des Turboladers 2 angeordnet ist. Die beiden Komponenten besitzen im Betrieb der Strömungsmaschine 1 bzw. des Turboladers 2 unterschiedliche Temperaturen. Im gezeigten Beispiel ist das Hitzeschutzschild 7 axial zwischen dem Verdichterrad 4 und dem Turbinenrad 5 angeordnet. Hierbei ist es sowohl zum Verdichterrad 4 als auch zum Turbinenrad 5 an axialer Richtung unmittelbar benachbart und davon beabstandet angeordnet. Bei der hier vorgestellten Strömungsmaschine 1 bzw. beim Turbolader 2 ist das Hitzeschutzschild 7 mit dem Rotor 3 drehfest verbunden. Es handelt es sich somit um ein mit dem Rotor 3 mitdrehendes Hitzeschutzschild 7. Im Beispiel kann somit die Abstrahlung von Wärme vom Turbinenrad 5 auf das Verdichterrad 4 signifikant reduziert werden. Das scheibenförmige Hitzeschutzschild 7 ist koaxial zur Rotationsachse 6 des Rotors 3 angeordnet und liegt in einer Ebene, die sich senkrecht zur Rotationsachse 6 erstreckt.
Um die thermische Schutzwirkung des Hitzeschutzschilds 7 zu verbessern, kann zumindest eine der axialen Seiten des Hitzeschutzschilds 7 mit einer TBC-Beschichtung 8 versehen sein. Im Beispiel ist ausschließlich die der heißeren Komponente, also hier dem Turbinenrad 5 zugewandte axiale Seite des Hitzeschutzschilds 7 mit einer solchen TBC-Beschichtung 8 versehen. Eine derartige Thermal Barrier Coating oder Hitzeschutzschicht kann beispielsweise aus keramischen Materialien bestehen oder aus hochlegierten, besonders hitzebeständigen Stählen gebildet sein. Sie kann beispielsweise eine Schichtdicke von 0,1 bis 1,0 mm aufweisen. Derartige TBC-Schichten sind beispielsweise aus der Beschichtung von Schaufeln bei Gasturbinen von Kraftwerksanlagen bekannt.
Bei der hier gezeigten, bevorzugten Ausführungsform sind das Turbinenrad 5 und das Verdichterrad 4 aneinander befestigt, und zwar nicht über eine Rotorwelle, sondern direkt. Hierzu weist das Verdichterrad 4 an einer dem Turbinenrad 5 zugewandten Seite einen axial abstehenden, ringförmig umlaufenden Verdichter kragen 9 auf. Entsprechend dazu weist das Turbinenrad 5 an einer dem Verdichterrad 4 zugewandten Seite einen axial abstehenden, ringförmig umlaufenden Turbinenkragen 10 auf. Verdichterkragen 9 und Turbinenkragen 10 sind axial stirnseitig aneinander befestigt, zum Beispiel mittels einer Schweißverbindung 11, die insbesondere als Reibschweißverbindung ausgestaltet sein kann. Durch die axial abstehenden Kragen 9, 10 wird axial zwischen den beiden Rädern 4, 5 ein Zwischenraum 12 ausgebildet, in dem die beiden Räder 4, 5 außerhalb der Kragen 9, 10 voneinander beabstandet sind. Das Hitzeschutzschild 7 ist in diesem Zwischenraum 12 angeordnet. Das Hitzeschutzschild 7 ist mit dem Verdichterrad 4 und/oder mit dem Turbinenrad 5 direkt drehfest verbunden, insbesondere über den jeweiligen Kragen 9, 10. Die Verbindung erfolgt dabei in radialer Richtung, so dass das Hitzeschutzschild 7 nach wie vor axial beabstandet ist von den Rädern 4, 5. Im Beispiel ist das Hitzeschutzschild 7 am Turbinenkragen 10 befestigt, insbesondere mittels einer Schweißverbindung 13. Das Hitzeschutzschild 7 ist auf diese Weise baulich in den Rotor 3 integriert, der im Wesentlichen durch beiden Räder 4, 5 gebildet ist. Im gezeigten Beispiel besitzt das Hitzeschutzschild 7 zumindest eine Druckausgleichsöffnung 14, welche das Hitzeschutzschild 7 durchdringt. Durch diese Druckausgleichsöffnung 14, die insbesondere zentral zur Rotationsachse 6 angeordnet sein kann, können die durch das Hitzeschutzschild 7 im Zwischenraum 12 voneinander abgetrennten Teilräume miteinander kommunizieren, wodurch insbesondere ein Druckausgleich ermöglicht wird.
Bei der hier gezeigten Bauweise, bei welcher das Verdichterrad 4 und das Turbinenrad 5 den Rotor 3 bilden, kann beispielsweise auf eine zentrale Lagerung des Rotors 3 in radialer und/oder axialer Richtung verzichtet werden. Der Rotor 3 ist dann axial zwischen Verdichterrad 4 und Turbinenrad 5 ungelagert. Ferner kann auch auf eine separate Welle verzichtet werden, die einerseits das Verdichterrad 4 trägt und die andererseits das Turbinenrad 5 trägt und durch die die beiden Räder 4, 5 drehfest miteinander verbunden sind. Zwar ist es grundsätzlich möglich, zwei Halbwellen vorzusehen, von denen die eine das Verdichterrad 4 trägt, während die andere das Turbinenrad 5 trägt, jedoch müssen diese Halbwellen mittig nicht miteinander verbunden sein, so dass insgesamt keine durchgehende Welle für den Rotor 3 erforderlich ist. Es ist jedoch klar, dass bei einer anderen Ausführungsform der Rotor 3 grundsätzlich auch mit einer durchgehenden Welle ausgestattet sein kann, die dann mit wenigstens einer der Komponenten Verdichterrad 4, Turbinenrad 5 und Hitzeschutzschild drehfest verbunden ist. Bevorzugt ist jedoch die hier gezeigte kompakt bauende Ausführungsform ohne durchgehende Welle.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- EP 1816317 A2 [0002]

Claims

Rotierende Strömungsmaschine mit einem ein Verdichterrad (4) und/oder ein Turbinenrad (5) aufweisenden Rotor (3), der um eine Rotationsachse (6) drehbar in der Strömungsmaschine (1) gelagert ist, und mit einem scheibenförmigen Hitzeschutzschild (7), das bezüglich der Rotationsachse (6) axial zwischen zwei Komponenten (4, 5) der Strömungsmaschine (1) angeordnet ist, die im Betrieb der Strömungsmaschine (1) verschiedene Temperaturen aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass das Hitzeschutzschild (7) mit dem Rotor (3) drehfest verbunden ist.
Strömungsmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Hitzeschutzschild (7) zumindest an einer axialen Seite eine TBC-Beschichtung (8) aufweist.
Strömungsmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die TBC-Beschichtung (8) nur auf derjenigen axialen Seite des Hitzeschutzschilds (7) angeordnet ist, die im Betrieb der Strömungsmaschine (1) der heißeren Komponente zugewandt ist.
Strömungsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Hitzeschutzschild (7) am Rotor (3) axial zwischen Turbinenrad (5) und Verdichterrad (4) angeordnet ist.
Strömungsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (3) eine durchgehende Welle aufweist, die mit dem Hitzeschutzschild (7) und/oder mit dem Turbinenrad (5) und/oder mit dem Verdichterrad (4) drehfest verbunden ist.
Strömungsmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Turbinenrad (5) und das Verdichterrad (4) aneinander befestigt sind, wobei axial zwischen Turbinenrad (5) und Verdichterrad (4) ein Zwischenraum (12) ausgebildet ist, in dem das Hitzeschutzschild (7) angeordnet ist.
Strömungsmaschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Hitzeschutzschild (7) am Turbinenrad (5) und/oder am Verdichterrad (4) befestigt ist.
Strömungsmaschine nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Hitzeschutzschild (7) zumindest eine das Hitzeschutzschild (7) axial durchdringende Durchgangsöffnung (14) aufweist.
Strömungsmaschine nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, – dass Verdichterrad (4) und Turbinenrad (5) radial außen aneinander befestigt sind, und/oder – dass das Hitzeschutzschild (7) radial außen am Verdichterrad (4) und/oder am Turbinenrad (5) befestigt ist.
Strömungsmaschine nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (3) axial zwischen Verdichterrad (4) und Turbinenrad (5) ungelagert ist.
Strömungsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsmaschine (1) ein Abgasturbolader (2) für eine Brennkraftmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, ist.
Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, mit den Merkmalen eines der Ansprüche 1 bis 10.