DE102009038772A1

DE102009038772A1 - Abgasnutzturbine für ein Turbo-Compound-System

Info

Publication number: DE102009038772A1
Application number: DE102009038772A
Authority: DE
Inventors: Thomas Figler; Markus Dr. Kley
Original assignee: Voith Patent GmbH
Current assignee: Voith Patent GmbH
Priority date: 2009-08-27
Filing date: 2009-08-27
Publication date: 2011-03-03
Also published as: BR112012001960A2; JP2013503283A; RU2012106824A; US20120297770A1; CN102421992A; EP2470753A1; DE102009038772A8; WO2011023282A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Abgasnutzturbine für ein Turbo-Compound-System, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, umfassend - eine Turbinenwelle, die an ihrem ersten Ende oder im Bereich des ersten Endes ein Laufrad zur Beaufschlagung mit dem Abgasstrom eines Verbrennungsmotors trägt, um Abgasenergie in Antriebsleistung umzuwandeln; und - die an ihrem zweiten Ende ein Ritzel trägt, welches ausgebildet ist, mit der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors in eine Triebverbindung gebracht zu werden, um die Antriebsleistung auf die Kurbelwelle zu übertragen. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass - die Turbinenwelle im Bereich des Laufrads mittels eines Radialgleitlagers und im Bereich des Ritzels mittels eines Radialwälzlagers gelagert ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Abgasnutzturbine für ein Turbo-Compound-System, das heißt ein System in einem Antriebsstrang, insbesondere Fahrzeugantriebsstrang, mit einem Verbrennungsmotor zum Antrieb des Antriebsstrangs, in dessen Abgasstrom eine Abgasnutzturbine angeordnet ist. Die Abgasnutzturbine kann beispielsweise im Abgasstrom hinter der Turbine eines Turboladers angeordnet sein oder zusätzlich einen Verdichter zur Aufladung des Verbrennungsmotors antreiben.
Zum Stand der Technik wird auf die DE 10 2005 025 272 A1 , EP 0 171 882 A1 und EP 1 197 638 A2 verwiesen.
Mittels der Abgasnutzturbine wird dem Abgas Energie entzogen und in mechanische Energie beziehungsweise in Antriebsleistung umgesetzt. Diese dient dann dem zusätzlichen Antrieb der Abtriebswelle des Verbrennungsmotors, die in der Regel als Kurbelwelle ausgeführt ist.
Aufgrund der Abmaße und der Profilgestaltung der Abgasnutzturbinen in Turbo-Compound-Systemen wird deren Laufrad, auch Turbinenrad genannt, mit Drehzahlen von bis zu 70.000 U/min oder im Einzelfall noch mehr betrieben. Aufgrund dieser extrem hohen Drehzahlen wird die Turbinenwelle, auf welcher herkömmlich das Laufrad der Abgasnutzturbine gelagert ist, ausschließlich durch Gleitlager, die in der Regel in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sind, gelagert.
Obwohl die bekannten Turbo-Compound-Systeme verschiedener Hersteller zur Zufriedenheit ihrer Kunden arbeiten, haben Vergleichsversuche nun ergeben, dass der Wirkungsgrad des Turbo-Compound-Systems über der Lebensdauer des Systems unerwünscht abnimmt. Die Ursache für diese nicht erwartete Wirkungsgradabnahme war bisher unklar.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Abgasnutzturbine für ein Turbo-Compound-System anzugeben, welche ermöglicht, dass der Wirkungsgrad des Turbo-Compound-Systems über der gesamten Lebensdauer im Wesentlichen konstant hoch bleibt und die festgestellte unerwünschte Abnahme vermieden wird.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird durch eine Abgasnutzturbine für ein Turbo-Compound-System mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. In den abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte und besonders zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung angegeben.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die zunehmende Wirkungsgradabnahme dadurch verursacht wird, dass in dem Zahnradgetriebe zwischen der Abgasnutzturbine und der Abtriebswelle des Verbrennungsmotors, welches zur Übertragung der Antriebsleistung von der Abgasnutzturbine auf die Abtriebswelle, die in der Regel als Kurbelwelle ausgeführt ist, dient, in zunehmendem Maße ein nicht optimaler Zahneingriff einzelner Zähne auftritt. Die Erfinder haben festgestellt, dass dieser nicht optimale Zahneingriff besonders im Bereich des kämmenden Eingriffs zwischen dem Ritzel auf der Turbinenwelle und einem diesem zugeordneten Zahnrad, das in der Regel einen vergleichsweise wesentlich größeren Außendurchmesser aufweist, auftritt. Diese Fehlstellung im Zahneingriff kann sogar zu einem Verklemmen der Zähne aneinander führen. Ursache hierfür ist ein frühzeitiger Verschleiß der Zähne des Ritzels, so dass diese nicht mehr in einem optimalen Eingriff mit den Zähnen des Zahnrads stehen. Dieser Verschleiß wiederum ist nach Erkenntnis der Erfinder auf eine ungünstige Überlagerung der Kräfte aus der Turbinenwellendynamik und der am Ritzel angreifenden Verzahnungskräfte zurückzuführen. Die Zähne des Ritzels sind im Vergleich zu den Zähnen des Zahnrads stärker von diesem Verschleiß betroffen, da das Ritzel einen wesentlich kleineren Außendurchmesser als das Zahnrad aufweist und somit bezogen auf den einzelnen Zahn des Ritzels dieser wesentlich öfter an den Zähnen des Zahnrads abwälzt, als ein einzelner Zahn des Zahnrads an den Zähnen des Ritzels abwälzt.
Die Überlagerung der Kräfte aus der Turbinenwellendynamik und den Verzahnungskräften führt zu einer Auslenkung der Turbinenwelle an jenem axialen Ende, dem das Ritzel zugeordnet ist. Auch an ihrem entgegengesetzten axialen Ende kann eine entsprechende Auslenkung der Turbinenwelle stattfinden. Um diese unerwünschte Auslenkung zu vermeiden, ist die Turbinenwelle erfindungsgemäß trotz der hohen Drehzahlen im Betrieb im Bereich des Ritzels mittels einem Radialwälzlager gelagert, wohingegen sie im Bereich des Laufrads der Abgasnutzturbine mittels einem Radialgleitlager gelagert ist. Die Radialspiele in dem Radialwälzlager sind geringer als in einem Radialgleitlager.
Gemäß einer alternativen Ausführungsform der Erfindung ist die Turbinenwelle im Bereich des Laufrads mittels einer Schwimmbuchse in einem Gehäuse gelagert, die einen äußeren ölbefüllten Lagerspalt gegenüber dem Gehäuse und einen inneren ölbefüllten Lagerspalt gegenüber der Turbinenwelle ausbildet und relativ gegenüber dem Gehäuse und der Turbinenwelle drehbar ist, und ferner ist die Turbinenwelle im Bereich des Ritzels mittels eines einfachen Gleitlagers gelagert, somit eines Gleitlagers, das in Radialrichtung zwischen der Turbinenwelle und dem Gehäuse einen einzigen ölbefüllten Lagerspalt ausbildet. Das Gehäuse kann dabei dasselbe Bauteil sein, in welchem die Turbinenwelle auch im Bereich des Laufrads gelagert ist. Alternativ kann jedoch auch ein separates Bauteil, hier als weiteres Gehäuse bezeichnet, vorgesehen sein.
Gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung unterscheidet sich das Lager im Bereich des Laufrads von dem Lager im Bereich des Ritzels ebenfalls um wenigstens einen ölbefüllten Lagerspalt. So ist nämlich das Lager im Bereich des Laufrads als Wälzlager ausgeführt, das von einem Gleitlager mit wenigstens einem ölbefüllten Lagerspalt umschlossen wird und/oder ein solches Gleitlager umschließt. Das Lager im Bereich des Ritzels hingegen ist als einfaches Wälzlager ausgeführt, das heißt in dem Lagerspalt zwischen der Turbinenwelle und dem Gehäuse sind Wälzkörper angeordnet, und es ist kein weiterer nur ölbefüllter Lagerspalt radial außerhalb oder radial innerhalb des Wälzlagers vorgesehen.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Turbinenwelle, die das Laufrad der Abgasnutzturbine, die insbesondere als Radial-Axial-Turbine ausgeführt ist, trägt, im Bereich des Ritzels mittels einem Axialgleitlager gelagert, wobei das Axialgleitlager und das Radialgleitlager das Radialwälzlager insbesondere beidseitig zwischen sich einschließen können. Alternativ oder zusätzlich kann ein Axialwälzlager zur Lagerung der Turbinenwelle vorgesehen sein, insbesondere im Bereich des Ritzels, wobei ein einziges kombiniertes Axial-Radial-Wälzlager vorteilhaft ist. Selbstverständlich kann das Axiallager, gleich ob als Wälzlager oder Gleitlager ausgeführt, auch an einer anderen Position, beispielsweise im Bereich des Laufrads angeordnet sein.
Um eine besonders günstige Ausführungsform zu schaffen, ist ein einziges Axiallager zur Lagerung der Turbinenwelle vorgesehen. Ferner können ausschließlich zwei Radiallager vorgesehen sein, insbesondere das genannte Radialwälzlager und das genannte Radialgleitlager.
Das Wälzlager kann Wälzkörper aus einem herkömmlichen Wälzkörperwerkstoff, insbesondere Metall, aufweisen. Besonders vorteilhaft sind die Wälzkörper aus Keramik gefertigt.
Gemäß einer vorzuziehenden Ausführungsform werden anstelle von Kugeln als Wälzkörpern, wie sie grundsätzlich auch in einer erfindungsgemäßen Ausführung verwendet werden können, Wälzkörper in Zylinder-, Kegel- oder Nadelform eingesetzt, in der Regel zwischen einem Innenring und einem Außenring des Wälzlagers. Um den Lagerverschleiß des Wälzlagers bei der ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform zu verringern, kann ein Öldämpfer im Lager integriert beziehungsweise zwischen dem Lager und einem Gehäuse, in dem das Lager aufgenommen ist, und/oder zwischen dem Lager und der Turbinenwelle vorgesehen sein. Ein solcher Öldämpfer kann beispielsweise dadurch hergestellt werden, dass ein Lagerring, der integral mit dem Innenring oder dem Außenring ausgeführt sein kann oder zusätzlich zu diesem vorgesehen sein kann und insbesondere an dem Innenring oder dem Außenring montiert ist, in Radialrichtung der Turbinenwelle betrachtet, zwischen der Turbinenwelle und dem Gehäuse vorgesehen ist, und zwischen dem Lagerring und dem Gehäuse und/oder zwischen dem Lagerring und der Turbinenwelle ein schmierölgefüllter Ringspalt ausgebildet ist. In den Ringspalt kann insbesondere Drucköl eingebracht sein. Durch die Dämpfung des Öls kann der Lagerverschleiß verringert werden, und Geräusche können gedämpft werden.
Ein entsprechender ölgefüllter Ringspalt kann zusätzlich oder alternativ auch in beziehungsweise an dem Radialgleitlager vorgesehen sein, indem dort entsprechend ein Lagerring angeordnet ist. Die Lagerringe weisen insbesondere eine zylindrische Form auf, können jedoch auch abweichend gestaltete Formen, beispielsweise eine Kegelform oder gestufte Form, aufweisen.
Besonders vorteilhaft ist das Ritzel an einem axialen Ende der Turbinenwelle, insbesondere außerhalb eines Gehäuses, das die verschiedenen Lager gemeinsam umschließt oder in welchem oder an welchem diese montiert sind, angeordnet, insbesondere fliegend gelagert. An dem anderen axialen Ende der Turbinenwelle kann das Laufrad der Abgasnutzturbine angeordnet sein, insbesondere ebenfalls fliegend. Fliegende Lagerung bedeutet dabei, dass in Axialrichtung gesehen außerhalb der entsprechenden Komponente – Ritzel oder Laufrad – kein weiteres Lager zur Lagerung der Turbinenwelle und insbesondere zur Lagerung der entsprechenden Komponente vorgesehen ist. Unter Lager im Sinne der vorliegenden Beschreibung werden dabei stets solche Tragstellen in dem Turbo-Compound-System verstanden, in welchen zwei Bauteile mit verschiedener Drehzahl zueinander umlaufen beziehungsweise in denen ein Bauteil umläuft und das andere stationär gehalten ist, das heißt nicht umläuft.
Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und den Figuren exemplarisch erläutert werden.
Es zeigen:
1 eine erste erfindungsgemäß ausgeführte Triebverbindung zwischen einer Abgasnutzturbine und einem mit der Abtriebswelle des Verbrennungsmotors (nicht dargestellt) in einer mechanischen Triebverbindung stehenden Ritzel gemäß einem erfindungsgemäßen Turbo-Compound-System;
2 eine gegenüber der 1 abgewandelte Ausführungsform, bei welcher das Wälzlager als kombiniertes Axial-Radial-Wälzlager ausgeführt ist;
3 eine Ausführungsform gemäß der 1 mit einem zusätzlichen Quetschöldämpfer, der das Radialwälzlager in Umfangsrichtung umschließt;
4 eine Ausführungsform gemäß des zweiten erfindungsgemäßen Ansatzes;
5 eine Ausführungsform gemäß des dritten erfindungsgemäßen Ansatzes.
Inder 1 erkennt man eine Abgasnutzturbine 1 und deren Laufrad 1.1 mit einer Vielzahl von Turbinenschaufeln 1.2, die im Abgasstrom (siehe die Richtungspfeile) eines Verbrennungsmotors (nicht dargestellt) angeordnet sind.
Wie man sieht, ist die Abgasnutzturbine 1 als Radial-Axial-Turbine ausgeführt, das heißt, die Turbinenschaufeln 1.2 werden radial von außen vom Abgas angeströmt, welches diese dann in Axialrichtung verlässt (abströmt).
Das Laufrad 1.1 wird von einer Turbinenwelle 2 getragen beziehungsweise ist einteilig mit dieser hergestellt. Dabei schließt das Laufrad 1.1 der Abgasnutzturbine an einem axialen Ende der Turbinenwelle 2 bündig mit dieser ab.
Am entgegengesetzten zweiten axialen Ende der Turbinenwelle 2 ist ein Ritzel 3 auf der Turbinenwelle 2 angeordnet beziehungsweise wird von dieser getragen. Vorliegend ist das Ritzel 3 auf die Turbinenwelle 2 aufgeschoben und wird dort durch eine geeignete mechanische Verriegelung beziehungsweise durch Abstandshalter gehalten. Alternativ könnte das Ritzel 3 auch einstückig mit der Turbinenwelle 2 hergestellt sein.
Das Ritzel 3 kämmt mit einem Zahnrad 11, das drehfest mit dem Pumpenrad 12 einer hydrodynamischen Kupplung 13 verbunden ist. Das Zahnrad 11 ist dabei zusammen mit dem Pumpenrad 12 auf einer Kupplungswelle 14 relativgelagert, das heißt läuft mit einer anderen Drehzahl um als die Welle. Die Kupplungswelle 14 trägt das Turbinenrad 15 der hydrodynamischen Kupplung, welches zusammen mit dem Pumpenrad 12 einen hydrodynamischen Arbeitsraum 16 ausbildet, drehfest. Somit kann Antriebsleistung über das Ritzel 3, das Zahnrad 11, das Pumpenrad 12 hydrodynamisch auf das Turbinenrad 15 übertragen werden, und von dort über die drehfest angeordnete Kupplungswelle 14 mittels dem Kupplungswellenritzel 17 auf die Kurbelwelle (oder allgemein Abtriebswelle) des Verbrennungsmotors.
Die dargestellte Lagerung des Pumpenrads 12 der hydrodynamischen Kupplung beziehungsweise der Kupplungswelle 14 kann unabhängig von der Ausgestaltung der Anordnung beziehungsweise Lagerung der Turbinenwelle 2 in der gezeigten Form ausgeführt werden, insbesondere mit vier in Axialrichtung hintereinander geschalteten Wälzlagern 18, von denen die beiden mittleren zu einem Doppellager zusammengefasst sein können. Besonders wird darauf verwiesen, dass diese Lageranordnung beziehungsweise allgemein die Lagerung der Kupplungswelle 14 und der zugehörigen Bauteile im Bereich der hydrodynamischen Kupplung 13 insbesondere in Turbo-Compound-Systemen ohne die erfindungsgemäß dargestellte Lagerung der Turbinenwelle der Abgasnutzturbine mit einem Radialgleitlager und einem Radialwälzlager ausgeführt werden kann.
Gemäß der 1 ist die Turbinenwelle 2 im Bereich des Laufrads 1.1 mittels einem Radialgleitlager 4 gelagert und im Bereich des Ritzels 3 mittels einem Radialwälzlager 5. Beide Lager 4, 5 sind dabei in Axialrichtung betrachtet zwischen dem Ritzel 3 und dem Laufrad 1.1 angeordnet und die einzigen Radiallager, mittels welchen die Turbinenwelle 2 gelagert ist, so dass sowohl das Laufrad 1.1 als auch das Ritzel 3 fliegend auf der Turbinenwelle 2 angeordnet beziehungsweise gelagert sind.
Sowohl das Radialwälzlager 5 als auch das Radialgleitlager 4 werden von einem gemeinsamen Gehäuse 7 in Umfangsrichtung umschlossen. Die Lager können dabei, wie angedeutet, über ein Druckölsystem 19 mit Drucköl oder Schmieröl (ohne Überdruck) versorgt werden.
Besonders vorteilhaft weist das Radialgleitlager 4 eine sogenannte Schwimmbuchse auf, das heißt, in Radialrichtung betrachtet sind zwei schmierölbefüllte Ringspalte hintereinander angeordnet. Einer oder beide Ringspalte können mit Drucköl befüllt sein, um eine dämpfende Wirkung auf die dynamischen Kräfte, welchen die Turbinenwelle 2 unterliegt, auszuüben. Beispielsweise weist das Radialgleitlager 4 einen Lagerring 4.1, insbesondere in Zylinderform, auf, der in Radialrichtung der Turbinenwelle 2 zwischen der Turbinenwelle 2 und dem Gehäuse 7 angeordnet ist, und die beiden genannten Ringspalte 8, 9 mit dem Gehäuse 7 beziehungsweise mit der Turbinenwelle 2 ausbildet.
Bei der gezeigten Ausführungsform ist das Radialwälzlager 5 hingegen frei von einer solchen Schwimmbuchse beziehungsweise einem Quetschöldämpfer.
Vielmehr ist der Lageraußenring (nicht dargestellt) des Radialwälzlagers 5 unmittelbar und drehfest im Gehäuse 7 eingesetzt und der Lagerinnenring (nicht dargestellt) unmittelbar und drehfest auf der Turbinenwelle 2 montiert. Zwischen dem Lageraußenring und dem Lagerinnenring sind eine Vielzahl von Wälzkörpern angeordnet, so dass der Lageraußenring und der Lagerinnenring über diese Wälzkörper (nicht dargestellt) aufeinander abwälzen.
Bei dem in der 1 dargestellten Ausführungsbeispiel wird die Turbinenwelle 2 in Axialrichtung durch ein Axialgleitlager 6 gehalten. Dieses ist im Bereich des Ritzels 3 positioniert und kann, wie dargestellt, außen an dem Gehäuse 7 montiert sein und insbesondere durch ein Lagerschild 20 von außen abgedeckt sein. Vorliegend umfasst das Axialgleitlager 6 einen ortsfest im beziehungsweise am Gehäuse 7 montierten Lagerring 6.1, der sich über jeweils einen Schmierölfilm an zwei auf der Turbinenwelle 2 in Axialrichtung ortsfest montierten Abstandshaltern abstützt.
Selbstverständlich ist es auch möglich, anstelle der zwei gezeigten Abstandshalter einen oder auch drei oder mehr Abstandshalter vorzusehen.
Die Ausführungsform gemäß der 2 unterscheidet sich dadurch von jener der 1, dass die Turbinenwelle 2 frei von einem Axialgleitlager ist und das Radialwälzlager 5 zugleich eine Axiallagerfunktion aufweist. Hierzu kann sich das Radialwälzlager 5 (dann Axial-Radial-Wälzlager) entweder über Wälzkörper am Gehäuse und/oder einem axialen Ansatz der Turbinenwelle 2 abstützen oder über einen Schmierölfilm, beispielsweise wiederum zwischen einem Lagerring des Lagers 5 und Abstandshaltern auf der Turbinenwelle 2. Andere Ausführungsformen sind denkbar.
Die Ausführungsform gemäß der 3 unterscheidet sich von jener der 1 dadurch, dass das Radialwälzlager 5 ebenfalls mit einer sogenannten Schwimmbuchse ausgestattet ist. Bei der gezeigten Ausführungsform ist hierzu ein Lagerring 5.1 vorgesehen, in welchen der Außenring des Radialwälzlagers 5 eingepresst ist. Zwischen dem Lagerring 5.1 und dem Gehäuse 7 ist ein Ringspalt ausgebildet, der mit Schmieröl, insbesondere Drucköl, gefüllt ist. Hierdurch wird eine Dämpfung der auf die Turbinenwelle 2 beziehungsweise das Lager 5 wirkenden dynamischen Kräfte erreicht, und der Verschleiß des Lagers kann vermindert werden.
Der Lagerring 5.1 kann beispielsweise, wie angedeutet, durch Seegerringe in Axialrichtung fixiert sein, ähnlich wie dies für den Lagerring 4.1 des in den Figuren dargestellten Radialgleitlagers 4 gilt. Das Drucköl in dem Ringspalt 10 zwischen dem Lagerring 5.1 und dem Gehäuse 7 kann beispielsweise wiederum durch das Druckölsystem 19, das in einer entsprechenden leitenden Verbindung mit dem Ringspalt 10 steht, zur Verfügung gestellt werden.
Alternativ oder zusätzlich könnte ein entsprechender schmieröl- oder druckölbefüllter Ringspalt auch zwischen dem Lagerinnenring und der Turbinenwelle 2 vorgesehen sein.
Die in den 1, 2 und 3 dargestellten Merkmale können unabhängig voneinander oder in nicht dargestellten Kombinationen vorgesehen sein. Selbstverständlich ist es auch möglich, das Radialgleitlager 4 ohne die Schwimmbuchse auszuführen, das heißt mit einem einzigen schmierölbefüllten Ringspalt zwischen dem Gehäuse 7 und der Turbinenwelle 2. Andere Modifikationen sind denkbar.
Die Turbinenwelle 2 eines erfindungsgemäßen Turbo-Compound-Systems läuft beispielsweise mit Drehzahlen von bis zu 70.000 U/min um, insbesondere mit maximalen Drehzahlen oberhalb von 20.000, 30.000 oder 40.000 U/min.
Die schmieröl- beziehungsweise druckölbefüllten Lagerräume beziehungsweise Ringspalte 8, 9, 10 in den Lagern 4, 5, insbesondere der Ringspalt 10 in dem Radialwälzlager 5, können gegenüber dem Gehäuse 7 und dem jeweiligen Lagerring 5.1, 4.1 abgedichtet, beispielsweise mit einer berührungsfreien oder einer berührenden Wellendichtung, wie Spitze-Spitze-Dichtung, Labyrinthdichtung oder mit einem O-Ring, ausgeführt sein.
Bei der Ausführungsform gemäß der 4, bei welcher wiederum sich entsprechende Bauteile mit sich entsprechenden Bezugszeichen bezeichnet sind, ist die Turbinenwelle 2 im Bereich des Laufrads 1.1 mittels einer Schwimmbuchse 21 in einem Gehäuse 22 gelagert. Das hier als Schwimmbuchse 21 bezeichnete Bauteil entspricht in seiner Funktion dem Lagerring 4.1 gemäß der 1, wobei dementsprechend das Radialigleitlager 4 gemäß der 1 auch als Schwimmbuchsenlager bezeichnet werden könnte.
Wie man in der 4 erkennt, bildet die Schwimmbuchse 21 gegenüber dem Gehäuse 22 einen ölbefüllten äußeren Lagerspalt 23 und gegenüber der Turbinenwelle 2 einen inneren ölbefüllten Lagerspalt 24. Ferner ist die Schwimmbuchse 21 relativ gegenüber dem Gehäuse 22 und gegenüber der Turbinenwelle 2 drehbar.
Im Bereich des Ritzels 3 hingegen ist die Turbinenwelle 2 nur mittels eines einfachen Gleitlagers 25 im Gehäuse 22 (oder einem anderen Bauteil) gelagert, und zwischen der Turbinenwelle 2 und dem Gehäuse 22 beziehungsweise dem anderen Bauteil ist ein einziger ölbefüllter Lagerspalt 26, frei von Wälzkörpern ausgebildet. Dabei ist es erfindungsgemäß ausreichend, wenn ein einziges einfaches Gleitlager im Bereich des Ritzels 3 zur Lagerung der Turbinenwelle vorgesehen ist, wobei das Lager entweder auf der dargestellten, dem Laufrad 1.1 zugewandten Seite positioniert sein kann, oder auch auf der dem Laufrad 1.1 abgewandten Seite des Ritzels 3. Bei Ausführungsform des Laufrads 1.1 als Verdichterlaufrad, das in einen Frischluftstrom eines Verbrennungsmotors angeordnet ist, wie später noch erläutert werden wird, können gemäß einer abweichenden Ausführungsform auch mehrere Gleitlager neben dem Ritzel 3 vorgesehen sein, insbesondere genau zwei Gleitlager, vorteilhaft je eines auf jeder Seite des Ritzels 3, die dann entweder alle beziehungsweise beide als einfaches Gleitlager ausgeführt sind, oder von denen nur eines oder mehrere, jedoch nicht alle, als einfache Gleitlager und die verbleibenden oder das verbleibende insbesondere als Schwimmbuchsenlager ausgeführt sein können.
Auch bei der in der 4 gezeigten Ausführungsform ist ein Axialgleitlager 6 vorgesehen, und zwar in diesem speziellen Fall auf der dem Laufrad 1.1 abgewandten Seite des einfachen Gleitlagers 25 neben dem Ritzel 3.
Die 5 verdeutlicht den dritten Ansatz gemäß der vorliegenden Erfindung. Diesmal ist das Ritzel 3 nicht fliegend gelagert, sondern zwischen dem Lager neben dem Ritzel 3 und dem Lager neben dem Laufrad 1.1. Selbstverständlich wäre es auch hier möglich, das Ritzel 3 fliegend zu lagern, oder umgekehrt, bei den zuvor dargestellten Ausführungsformen wäre auch eine nicht fliegende Lagerung des Ritzels 3, wie in der 5 dargestellt, möglich.
Gemäß der 5 ist die Turbinenwelle 2 im Bereich des Laufrads 1.1 mittels eines Wälzlagers 27 gelagert, das von einem Gleitlager 28 mit einem ölbefüllten Lagerspalt 29 umschlossen wird. Bei dem Gleitlager 28 rotiert der äußere Lagerring des Wälzlagers 27 gegenüber der zugewandten Oberfläche des Gehäuses 22. Wenn hingegen der äußere Lagerring des Wälzlagers 27 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung stationär gehalten wird und trotzdem von einem ölbefüllten Lagerspalt 29 umschlossen wird, in den insbesondere Drucköl eingebracht ist, so wäre anstelle der Bezeichnung Gleitlager der Begriff Öldämpfer oder Quetschöldämpfer geeigneter. Ein solcher Öldämpfer wurde bereits mit Bezug auf die 3 bezüglich des Lagers neben dem Ritzel 3 beschrieben.
Das Lager neben dem Ritzel 3 im Bereich des anderen Endes der Turbinenwelle 2 gemäß der 5 hingegen ist als einfaches Wälzlager ohne Schwimmbuchse ausgeführt, das heißt, in diesem Lager ist kein ölbefüllter Lagerspalt ohne Wälzkörper vorgehen. Dieses einfache Wälzlager ist mit dem Bezugszeichen 30 versehen.
Die beiden Lager 27, 30 gemäß der Ausführungsform in der 5 unterscheiden sich demnach dadurch voneinander, dass das laufradnahe Lager als Wälzlager 27 über ein Gleitlager 28 mit einem Lagerspalt 29 in dem Gehäuse 22 (oder einem anderen geeigneten Bauteil) gelagert ist, wohingegen das Wälzlager 30 neben dem Ritzel 3 unmittelbar in dem Gehäuse 22 (oder einem anderen geeigneten Bauteil) gelagert ist, das heißt ohne Zwischenschaltung eines Gleitlagers.
Abweichend von der Darstellung in der 5 können auch zwei ölbefüllte Lagerspalte außerhalb des Wälzlagers 27 vorgesehen sein, indem das Wälzlager 27 beispielsweise in einer Schwimmbuchse gelagert ist, die einen ersten ölbefüllten Lagerspalt gegenüber dem Wälzlager 27 und einen zweiten ölbefüllten Lagerspalt gegenüber dem Gehäuse 22 oder einem anderen geeigneten Bauteil ausbildet. Alternativ oder zusätzlich könnte auch zwischen dem Wälzlager 27 und der Turbinenwelle 2 eine solche Schwimmbuchsenlagerung mit zwei ölbefüllten Lagerspalten oder auch nur einem ölbefüllten Lagespalt vorgesehen sein.
Bei einem Turboladersystem (nicht dargestellt), dessen Abgasturbine, die in einer Triebverbindung mit einem Verdichter für Frischluft des Verbrennungsmotors steht, insbesondere unmittelbar über eine starre Welle, und die insbesondere in Strömungsrichtung des Abgases vor der Abgasnutzturbine angeordnet ist, kann das vorliegend für die Abgasnutzturbine dargestellte Lagerungskonzept, ebenfalls und zwar unabhängig von Vorsehen eines Turbo-Compound-Systems entsprechend ausgeführt werden.
Obwohl die vorliegende Erfindung zuvor anhand einer Abgasnutzturbine für ein Turbo-Compound-System dargestellt wurde, ist sie ebenso bei einem Turboverdichter für ein Turbo-Compound-System oder für einen Turbolader, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, anwendbar. Bei einem solchen wird zweckmäßig die Turbinenwelle als Antriebswelle bezeichnet und das Laufrad ist ein Verdichterlaufrad, nicht ein Turbinenlaufrad. Ferner wird das Laufrad durch über das Ritzel auf die Antriebswelle eingeleitete Antriebsleistung angetrieben und verdichtet einen dem Verbrennungsmotor zugeführten Frischluftstrom, anstelle der Umwandlung von Abgasenergie in Antriebsleistung. Die Antriebsleistung kann durch eine Turbine, insbesondere Abgasturbine oder durch die Kurbelwelle des Verbrennungsmotors zur Verfügung gestellt werden. Anstelle einer Abgasturbine ist auch eine andere Gasturbine oder auch eine Dampfturbine vorstellbar, beispielsweise eine Dampfturbine in einem Dampfkreislauf, wobei der Dampf insbesondere mittels Abgasenergie erzeugt wird. Im Übrigen gelten die zuvor beschriebenen Merkmale entsprechend für die erfindungsgemäße Ausgestaltung eines Turboverdichters. Dies gilt besonders für die Anordnung und Ausführung des Lagers, insbesondere des Axiallagers beziehungsweise dessen Integration in das Radialwälzlager, sowie die Ausführung als Schwimmbuchse. Aber auch die übrigen mit Bezug auf die Abgasnutzturbine beschriebenen Merkmale können bei Ausführung als Turboverdichter angewendet werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102005025272 A1 [0002]
EP 0171882 A1 [0002]
EP 1197638 A2 [0002]

Claims

Abgasnutzturbine (1) für ein Turbo-Compound-System, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, umfassend 1.1 eine Turbinenwelle (2), die an ihrem ersten Ende oder im Bereich des ersten Endes ein Laufrad (1.1) zur Beaufschlagung mit dem Abgasstrom eines Verbrennungsmotors trägt, um Abgasenergie in Antriebsleistung umzuwandeln; und 1.2 die an ihrem zweiten Ende ein Ritzel (3) trägt, welches ausgebildet ist, mit der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors in eine Triebverbindung gebracht zu werden, um die Antriebsleistung auf die Kurbelwelle zu übertragen; dadurch gekennzeichnet, dass 1.3 die Turbinenwelle (2) im Bereich des Laufrads (1.1) mittels eines Radialgleitlagers (4) und im Bereich des Ritzels (3) mittels eines Radialwälzlagers (5) gelagert ist.
Abgasnutzturbine (1) für ein Turbo-Compound-System, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, umfassend 2.1 eine Turbinenwelle (2), die an ihrem ersten Ende oder im Bereich des ersten Endes ein Laufrad (1.1) zur Beaufschlagung mit dem Abgasstrom eines Verbrennungsmotors trägt, um Abgasenergie in Antriebsleistung umzuwandeln; und 2.2 die an ihrem zweiten Ende ein Ritzel (3) trägt, welches ausgebildet ist, mit der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors in eine Triebverbindung gebracht zu werden, um die Antriebsleistung auf die Kurbelwelle zu übertragen; dadurch gekennzeichnet, dass 2.3 die Turbinenwelle (2) im Bereich des Laufrads (1.1) mittels einer Schwimmbuchse (21) in einem Gehäuse (22) gelagert ist, die einen äußeren ölbefüllten Lagerspalt (23) gegenüber dem Gehäuse (22) und einen inneren ölbefüllten Lagerspalt (24) gegenüber der Turbinenwelle (2) ausbildet und relativ gegenüber dem Gehäuse (22) und der Turbinenwelle (2) drehbar ist, und 2.4 im Bereich des Ritzels mittels eines einzigen einfachen Gleitlagers (25) gelagert ist, das in Radialrichtung einen einzigen ölbefüllten Lagerspalt (26) zwischen der Turbinenwelle (2) und dem Gehäuse (22) oder einem weiteren Gehäuse ausbildet.
Abgasnutzturbine (1) für ein Turbo-Compound-System, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, umfassend 3.1 eine Turbinenwelle (2), die an ihrem ersten Ende oder im Bereich des ersten Endes ein Laufrad (1.1) zur Beaufschlagung mit dem Abgasstrom eines Verbrennungsmotors trägt, um Abgasenergie in Antriebsleistung umzuwandeln; und 3.2 die an ihrem zweiten Ende ein Ritzel (3) trägt, welches ausgebildet ist, mit der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors in eine Triebverbindung gebracht zu werden, um die Antriebsleistung auf die Kurbelwelle zu übertragen; dadurch gekennzeichnet, dass 3.3 die Turbinenwelle (2) im Bereich des Laufrads (1.1) mittels eines Wälzlagers (27) gelagert ist, das von einem Gleitlager (28) oder einem Öldämpfer mit einem ölbefüllten Lagerspalt (29) umschlossen wird und/oder ein solches umschließt, und 3.4 im Bereich des Ritzels (3) mittels eines einfachen Wälzlagers (30) gelagert ist, das frei von einem umschließenden oder eingeschlossenen ölbefüllten Lagerspalt eines Gleitlagers oder Öldämpfers ist.
Abgasnutzturbine (1) für ein Turbo-Compound-System gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbinenwelle (2) ferner im Bereich des Ritzels (3) mit einem Axialgleitlager (6) gelagert ist, und dieses Axialgleitlager (6) insbesondere das einzige Axiallager, mittels welchem die Turbinenwelle (2) gelagert ist, ist.
Abgasnutzturbine (1) für ein Turbo-Compound-System gemäß der Ansprüche 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Radialwälzlager (3) in Axialrichtung der Turbinenwelle (2) zwischen dem Axialgleitlager (6) und dem Radialgleitlager (4) angeordnet ist.
Abgasnutzturbine (1) für ein Turbo-Compound-System gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Radialwälzlager (5) zusätzlich als Axiallager ausgeführt ist, und dieses Lager insbesondere das einzige Axiallager ist, mittels welchem die Turbinenwelle (2) gelagert ist.
Abgasnutzturbine (1) für ein Turbo-Compound-System gemäß Anspruch 1 und einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Radialgleitlager (4) einen Lagerring (4.1), insbesondere Zylinderring, aufweist, der in Radialrichtung der Turbinenwelle (2) zwischen der Turbinenwelle (2) und einem stationären, das heißt nicht umlaufenden Gehäuse (7) angeordnet ist, und sowohl zwischen dem Lagerring (4.1) und dem Gehäuse (7) als auch zwischen dem Lagerring (4.1) und der Turbinenwelle (2) jeweils ein schmierölbefüllter Ringspalt (8, 9) ausgebildet ist.
Abgasnutzturbine (1) für ein Turbo-Compound-System gemäß Anspruch 1 und einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Radialwälzlager (5) einen Lagerring (5.1) aufweist, der in Radialrichtung der Turbinenwelle (2) zwischen der Turbinenwelle (2) und einem stationären Gehäuse (7) angeordnet ist, und zwischen dem Lagerring (5.1) und dem Gehäuse (7) und/oder zwischen dem Lagerring (5.1) und der Turbinenwelle (2) ein schmierölbefüllter Ringspalt (10), in welchem insbesondere ein statischer Überdruck eingestellt ist, ausgebildet ist.
Abgasnutzturbine (1) für ein Turbo-Compound-System gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Radialwälzlager (5) einen Innenring und einen diesen umschließenden Außenring aufweist, zwischen welchen eine Vielzahl von Wälzkörpern, insbesondere mit Zylinder-, Kegel- oder Nadelform, eingebracht sind, so dass der Innenring und der Außenring über die Wälzkörper aufeinander abwälzen, und der Lagerring (5.1) einteilig mit dem Innenring oder dem Außenring ausgebildet ist oder an einem von diesen montiert ist, insbesondere durch Verpressen.
Abgasnutzturbine (1) für ein Turbo-Compound-System, gemäß Anspruch 1 und einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Radialwälzlager (5) eine Vielzahl von Wälzkörpern, insbesondere in Zylinder-, Kegel- oder Nadelform, aufweist, und die Wälzkörper aus Keramik hergestellt sind.
Abgasnutzturbine (1) für ein Turbo-Compound-System gemäß Anspruch 1 und einem der Ansprüche 4 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Radiallager (4, 5) und insbesondere das Axiallager (5, 6), mit welchen die Turbinenwelle (2) gelagert ist, von einem gemeinsamen Gehäuse (7) umschlossen werden und/oder an dem Gehäuse (7) montiert sind.
Abgasnutzturbine (1) für ein Turbo-Compound-System gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Ritzel (3) und/oder das Laufrad (1.1) fliegend auf der Turbinenwelle (2), insbesondere jeweils am äußeren axialen Ende derselben entgegengesetzt zueinander gelagert sind.
Abgasnutzturbine (1) gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Wälzlager (27) in einer Schwimmbuchse gelagert ist, welche gegenüber dem Wälzlager einen inneren ölbefüllten Lagerspalt und gegenüber einem Gehäuse (22) einen äußeren ölbefüllten Lagerspalt ausbildet und relativ gegenüber dem Wälzlager (27), insbesondere eines äußeren Lagerringes desselben, und gegenüber dem Gehäuse (22) drehbar ist.
Strömungsverdichter für ein Turbo-Compound-System oder einen Turbolader, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, umfassend 14.1 eine Antriebswelle, die an ihrem ersten Ende oder im Bereich des ersten Endes ein Laufrad zur Positionierung in einem Frischluftstrom zu einem Verbrennungsmotor trägt, um den Frischluftstrom zu verdichten; und 14.2 die an ihrem zweiten Ende ein Ritzel trägt, welches ausgebildet ist, mit der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors oder einer Turbine oder Abgasturbine in eine Triebverbindung gebracht zu werden, um Antriebsleistung auf das Laufrad zu übertragen; dadurch gekennzeichnet, dass 14.3 die Antriebswelle im Bereich des Laufrades mittels eines Radialgleitlagers und im Bereich des Ritzels mittels eines Radialwälzlagers gelagert ist.
Strömungsverdichter für ein Turbo-Compound-System oder einen Turbolader, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, umfassend 15.1 eine Antriebswelle, die an ihrem ersten Ende oder im Bereich des ersten Endes ein Laufrad zur Positionierung in einem Frischluftstrom zu einem Verbrennungsmotor trägt, um den Frischluftstrom zu verdichten; und 15.2 die an ihrem zweiten Ende ein Ritzel trägt, welches ausgebildet ist, mit der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors oder einer Turbine oder Abgasturbine in eine Triebverbindung gebracht zu werden, um Antriebsleistung auf das Laufrad zu übertragen; dadurch gekennzeichnet, dass 15.3 die Antriebswelle im Bereich des Laufrads mittels einer Schwimmbuchse in einem Gehäuse gelagert ist, die einen äußeren ölbefüllten Lagerspalt gegenüber dem Gehäuse und einen inneren ölbefüllten Lagerspalt gegenüber der Antriebswelle ausbildet und relativ gegenüber dem Gehäuse und der Antriebswelle drehbar ist, und 15.4 im Bereich des Ritzels mittels wenigstens einen oder eines einzigen einfachen Gleitlagers gelagert ist, das in Radialrichtung einen einzigen ölbefüllten Lagerspalt zwischen der Antriebswelle und dem Gehäuse oder einem weiteren Gehäuse ausbildet.
Strömungsverdichter für ein Turbo-Compound-System oder einen Turbolader, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, umfassend 16.1 eine Antriebswelle, die an ihrem ersten Ende oder im Bereich des ersten Endes ein Laufrad zur Positionierung in einem Frischluftstrom zu einem Verbrennungsmotor trägt, um den Frischluftstrom zu verdichten; und 16.2 die an ihrem zweiten Ende ein Ritzel trägt, welches ausgebildet ist, mit der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors oder einer Turbine oder Abgasturbine in eine Triebverbindung gebracht zu werden, um Antriebsleistung auf das Laufrad zu übertragen; dadurch gekennzeichnet, dass 16.3 die Antriebswelle im Bereiches Laufrads mittels eines Wälzlagers gelagert ist, das von einem Gleitlager oder einem Öldämpfer mit einem ölbefüllten Lagerspalt umschlossen wird und/oder ein solches umschließt, und 16.4 im Bereich des Ritzels mittels eines einfachen Wälzlagers gelagert ist, das frei von einem umschließenden oder eingeschlossenen ölbefüllten Lagerspalt eines Gleitlagers oder Öldämpfers ist.