DE102010040823A1 - Turbo supercharger for use in e.g. internal combustion engine, of motor car, has turbine wheel spine whose outer diameter is greater than outer diameter of turbine blade ring to partially compensate occurrence of axial forces - Google Patents

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Abstract

The supercharger (1) has a radial compressor and a radial turbine (3). A compressor blade ring is arranged at a closed compressor wheel spine, where the ring exhibits a compressor wheel of the compressor. A turbine blade ring (14) exhibiting a turbine wheel (13) of the turbine is arranged at a closed turbine wheel spine (15) on a common shaft (6). Outer diameter (21) of the turbine wheel spine is formed to be greater than outer diameter (22) of the turbine blade ring for partially compensating occurrence of axial forces during operation. The turbine wheel is used in a fuel cell system and manufactured from aluminum material. The turbine wheel is used in an internal combustion engine and manufactured from a high temperature-resistant material.

Description

Die Erfindung betrifft einen Turbolader, insbesondere für Kraftfahrzeuge, mit einem Radialverdichter und einer Radialturbine, wobei ein einen an einem geschlossenen Verdichterradrücken angeordneten Verdichterschaufelring aufweisendes Verdichterrad des Radialverdichters und ein einen an einem geschlossenen Turbinenradrücken angeordneten Turbinenschaufelring aufweisendes Turbinenrad der Radialturbine auf einer gemeinsamen Welle drehfest angeordnet sind.The invention relates to a turbocharger, in particular for motor vehicles, with a centrifugal compressor and a radial turbine, wherein a one on a closed Verdichterradrücken arranged compressor blade ring having compressor wheel of the centrifugal compressor and one arranged on a closed Turbinenradrücken Turbinenschaufelring turbine wheel of the radial turbine are rotatably mounted on a common shaft ,

Stand der TechnikState of the art

Mit reinem Wasserstoff betriebene Brennstoffzellensysteme gelten heute als Antrieb der Zukunft, da sie nur reines Wasser emittieren. Ähnlich zu Verbrennungsmotoren lässt sich auch hier die Leistungsdichte steigern, wenn das Aggregat aufgeladen, also mit Druckluft betrieben wird. Als weiterer Vorteil der Aufladung stellt sich bei der Brennstoffzelle unter anderem eine signifikante Verbesserung im Wärmemanagement ein. Zur Bereitstellung der Druckluft ist es bekannt, sogenannte Turbolader zu verwenden, wie sie auch bei Verbrennungsmotoren als Abgasturbolader eingesetzt werden. In beiden Fällen, also beim Einsatz im Brennstoffzellensystem oder im Verbrennungsmotor, umfasst der Turbolader in der Regel einen Radialverdichter, der mit einer Radialturbine zusammenwirkt. Das Laufrad des Radialverdichters beziehungsweise das Verdichterrad wird dabei axial angeströmt. Die im Verdichterrad verdichtete Luft strömt wiederum in radialer Richtung beziehungsweise zentrifugal ab. Konstruktiv bedingt stellt sich der erhöhte Druck stromabwärts des Verdichterrads auch hinter dem Verdichterrad, also auf der den Verdichterschaufeln gegenüberliegenden Seite des geschlossenen Verdichterradrückens ein. Durch diesen Druck wird auf der Rückseite eine Axialkraft erzeugt, die deutlich größer ist als die Axialkraft, die auf der die Verdichterschaufeln aufweisenden Seite des Verdichterrads induziert wird. Ähnlich verhält es sich bei einer Radialturbine, die wie üblich zentripetal beziehungsweise radial angeströmt wird. Auch hier wird durch den Druck, der sich auf der Rückseite des Turbinenschaufeln aufweisenden Turbinenrads einstellt, eine Axialkraft erzeugt. Analog zum Radialverdichter kann die an der die Turbinenschaufeln aufweisende Vorderseite des Turbinenrads wirkende Axialkraft die an der Rückseite wirkende Axialkraft nicht kompensieren. Werden Radialverdichter und Radialturbine durch eine gemeinsame Welle miteinander wirkverbunden, auf der das Verdichterrad und das Turbinenrad drehfest angeordnet sind, so werden die im Betrieb auftretenden Axialkräfte zu einem kleinen Teil kompensiert. Insbesondere weil in der Regel das Turbinenrad aus thermodynamischen Gründen einen sehr viel kleineren Durchmesser als das Verdichterrad aufweist, verbleibt ein nicht unerheblicher Axialschub hin zur Verdichterseite des Turboladers. Dieser Axialschub beziehungsweise diese Axialkraft muss dann von einem entsprechend dimensionierten Axiallager aufgenommen werden. Turbomaschinen arbeiten insbesondere im Gegensatz zu Verdrängermaschinen auf einem hohen Drehzahlniveau, sodass die Axiallagerung hochdrehzahltauglich sein muss. So werden beispielsweise Luftlager vorgesehen, um die hohen Axialkräfte bei hohen Drehzahlen aufnehmen zu können. Diese müssen jedoch entweder sehr groß dimensioniert sein oder mit Druckluft versorgt werden, um den Axialkräften zu genügen, was zu hohen Kosten und Bauraumnachteilen führt. Hochdrehzahltaugliche Wälzlager hingegen stoßen bei hohen Axialkräften an ihre physikalischen Grenzen.Fuel cell systems powered by pure hydrogen are today considered the drive of the future, as they only emit pure water. Similar to internal combustion engines, the power density can be increased here as well, when the unit is charged, ie operated with compressed air. As a further advantage of charging, the fuel cell has a significant improvement in thermal management, among other things. To provide the compressed air, it is known to use so-called turbocharger, as they are used in internal combustion engines as exhaust gas turbocharger. In both cases, so when used in the fuel cell system or in the internal combustion engine, the turbocharger usually includes a centrifugal compressor, which cooperates with a radial turbine. The impeller of the centrifugal compressor or the compressor wheel is flowing axially. The compressed air in the compressor again flows in the radial direction or centrifugally. As a result of the design, the increased pressure downstream of the compressor wheel also occurs behind the compressor wheel, that is to say on the side of the closed compressor wheel back opposite the compressor blades. By this pressure, an axial force is generated on the back, which is significantly greater than the axial force which is induced on the compressor blades having the side of the compressor wheel. The situation is similar with a radial turbine which, as usual, is subjected to centripetal or radial flow. Again, an axial force is generated by the pressure, which is established on the back of the turbine blades having turbine wheel. Analogous to the centrifugal compressor, the axial force acting on the front side of the turbine wheel having the turbine blades can not compensate for the axial force acting on the rear side. If radial compressor and radial turbine are operatively connected to each other by a common shaft, on which the compressor wheel and the turbine wheel are arranged rotationally fixed, the axial forces occurring during operation are compensated to a small extent. In particular, because usually the turbine wheel for thermodynamic reasons has a much smaller diameter than the compressor wheel, a not inconsiderable axial thrust remains towards the compressor side of the turbocharger. This axial thrust or axial force must then be absorbed by a correspondingly dimensioned thrust bearing. In contrast to displacement machines, turbomachines operate at a high speed, so that the axial bearing must be capable of high speed. For example, air bearings are provided to accommodate the high axial forces at high speeds can. However, these must either be very large or be supplied with compressed air to meet the axial forces, which leads to high costs and space constraints. On the other hand, high-speed rolling bearings reach their physical limits with high axial forces.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Der erfindungsgemäße Turbolader sieht vor, dass zum zumindest teilweisen Kompensieren von im Betrieb auftretenden Axialkräften der Außendurchmesser des Turbinenradrückens größer als der des Turbinenschaufelrings ausgebildet ist. Das Turbinenrad beziehungsweise dessen Durchmesser wird demgemäß vergrößert, wobei der Durchmesser des Turbinenschaufelrings, also die radiale Anordnung und Dimensionierung der Turbinenschaufeln, gleich bleibt. Durch den vergrößerten Turbinenradrücken wird die mit Druck beaufschlagbare Fläche des Turbinenradrückens sowohl auf der Rückseite als auch auf der Vorderseite des Turbinenrads vergrößert. Auf die Rückseite des Turbinenrads wirkt somit ein erhöhter Druck, der die Axialkraft in Richtung der Vorderseite des Turbinenrads erhöht. Der auf die Rückseite wirkende vergrößerte Druck wird zwar auf der Vorderseite des Turbinenrads teilweise kompensiert, trägt jedoch trotzdem zur Erhöhung der Axialkraft in Richtung der Vorderseite des Turbinenrads bei. Die von dem Turbinenrad auf die Welle ausgeübten Axialkräfte in Richtung des Radialverdichters werden somit verringert, wodurch ein oder mehrere Axiallager des Turboladers vergleichsweise klein dimensioniert werden können und gegebenenfalls eine Druckluftversorgung des oder der Axiallager entfallen kann. Hierdurch werden auch die Kosten und Bauraumnachteile derartiger Turbomaschinen verringert. Vorzugsweise sind der Radialturbinenauslass und der Radialverdichtereinlass in entgegengesetzte Richtungen ausgerichtet, um die im Betrieb wirkenden Axialkräfte bereits zumindest teilweise zu kompensieren.The turbocharger according to the invention provides that, for the at least partial compensation of axial forces occurring during operation, the outer diameter of the turbine wheel back is made larger than that of the turbine blade ring. The turbine wheel or its diameter is accordingly increased, with the diameter of the turbine blade ring, ie the radial arrangement and dimensioning of the turbine blades, remaining the same. The enlarged turbine back increases the pressurizable area of the turbine wheel back on both the back and front of the turbine wheel. On the back of the turbine thus acts an increased pressure, which increases the axial force towards the front of the turbine. Although the increased pressure acting on the rear side is partially compensated on the front of the turbine wheel, it nevertheless contributes to increasing the axial force towards the front of the turbine wheel. The axial forces exerted by the turbine wheel on the shaft in the direction of the radial compressor are thus reduced, whereby one or more axial bearings of the turbocharger can be dimensioned comparatively small and optionally a compressed air supply of the thrust bearing or can be omitted. As a result, the cost and space limitations of such turbomachinery are reduced. Preferably, the radial turbine outlet and the radial compressor inlet are oriented in opposite directions to already at least partially compensate for the axial forces involved in operation.

Vorzugsweise ist der Außendurchmesser des Verdichterschaufelrings größer als der des Turbinenschaufelrings ausgebildet. Dadurch ist der Radialverdichter größer dimensioniert als die Radialturbine, wodurch eine hohe Axialkraft hin zur Verdichterseite des Turboladers erzeugt wird. Gerade hierbei ist die vorteilhafte Ausbildung des Turboladers mit dem vergrößerten Turbinenradrücken von Vorteil, um die erhöhten Axialkräfte zu kompensieren. Durch die entsprechende Vergrößerung des Turbinenradrückens werden die auf die Welle übertragenen Axialkräfte zumindest teilweise, vorzugsweise ganz kompensiert.Preferably, the outer diameter of the compressor blade ring is formed larger than that of the turbine blade ring. As a result, the radial compressor is dimensioned larger than the radial turbine, whereby a high axial force is generated towards the compressor side of the turbocharger. Just here, the advantageous embodiment of the turbocharger with the enlarged turbine back is advantageous to the to compensate for increased axial forces. Due to the corresponding enlargement of the turbine wheel back, the axial forces transmitted to the shaft are at least partially, preferably completely compensated.

Bevorzugt weist die Radialturbine in ihrem Radialturbineneinlass Mittel zum Beschleunigen der Strömung auf. Die Radialturbine ist somit derart ausgebildet, dass die durch den Radialturbineneinlass kommende Strömung beschleunigt auf das Turbinenrad geleitet wird. Durch die Beschleunigung wird der statische Druck verringert. Dabei stellt sich auf der Rückseite des Turbinenrads beziehungsweise des Turbinenradrückens ein höherer Druck als auf der Vorderseite ein, der die Axialkraft in Richtung der Vorderseite des Turbinenrads beziehungsweise in Richtung des Turbinenaustritts erhöht.The radial turbine preferably has means for accelerating the flow in its radial turbine inlet. The radial turbine is thus designed such that the flow coming through the radial turbine inlet is accelerated to the turbine wheel. The acceleration reduces the static pressure. In this case, a higher pressure prevails on the rear side of the turbine wheel or of the turbine wheel back than on the front side, which increases the axial force in the direction of the front side of the turbine wheel or in the direction of the turbine outlet.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Radialturbine ein das Turbinenrad aufnehmendes Gehäuse aufweist, das einen Druckraum zwischen sich und dem Turbinenradrücken bildet, der strömungstechnisch mit dem Radialturbineneinlass in Verbindung steht. Es ist somit konstruktiv ein Druckraum zwischen dem Turbinenradrücken und dem Gehäuse der Radialturbine vorgesehen, in welchen das durch den Radialturbineneinlass strömende Medium gelangt. Zweckmäßigerweise wird der Druckraum zwischen der Rückseite des Turbinenradrückens und dem Gehäuse gebildet, um einen Druckaufbau auf die Rückseite des Turbinenrads zu gewährleisten, der zum Kompensieren der Axialkräfte dient.According to one embodiment of the invention, it is provided that the radial turbine has a housing receiving the turbine wheel, which forms a pressure space between it and the turbine wheel back, which communicates fluidically with the radial turbine inlet. It is thus constructively provided a pressure space between the Turbinenradrücken and the housing of the radial turbine, in which passes through the medium flowing through the radial turbine inlet medium. Conveniently, the pressure space is formed between the rear of the turbine wheel back and the housing to ensure pressure build-up on the back of the turbine wheel which serves to compensate for the axial forces.

Besonders bevorzugt weist die Radialturbine einen variablen oder festen Leitschaufelring auf. Durch diese sogenannte variable Leitschaufelgeometrie kann der Wirkungsgrad des Turboladers, insbesondere der Wirkungsgrad der Turbine, gesteuert beziehungsweise geregelt werden.Particularly preferably, the radial turbine to a variable or fixed vane ring. By means of this so-called variable vane geometry, the efficiency of the turbocharger, in particular the efficiency of the turbine, can be controlled or regulated.

Besonders bevorzugt liegt der Leitschaufelring radial in dem Bereich des Turbinenradrückens, der über den Turbinenschaufelring hinausragt. Der Leitschaufelring ist somit nicht radial beabstandet zu dem Turbinenrad, sondern lediglich radial beabstandet zu dem Turbinenschaufelring im Bereich des überstehenden Turbinenradrückens angeordnet. Über die Leitschaufeln beziehungsweise den Leitschaufelring findet ein Druckabfall zugunsten einer Geschwindigkeitserhöhung statt. Durch die vorteilhafte Anordnung des Leitschaufelrings ist somit der Druck am Eintritt in den Turbinenschaufelring deutlich geringer als der Druck vor dem Leitschaufelring beziehungsweise auf der Rückseite des Turbinenradrückens, sodass der Bereich zwischen dem Außendurchmesser des Turbinenschaufelrings und dem Außendurchmesser des Turbinenradrückens einen deutlich höheren Beitrag zur Axialkraft in Richtung der Vorderseite des Turbinenrads beziehungsweise in Richtung des Turbinenaustritts liefert.Particularly preferably, the guide vane ring is located radially in the region of the turbine wheel back which projects beyond the turbine blade ring. The vane ring is thus not radially spaced from the turbine wheel but only radially spaced from the turbine blade ring in the region of the protruding turbine wheel back. Via the guide vanes or the guide vane ring there is a pressure drop in favor of an increase in speed. Due to the advantageous arrangement of the guide vane ring, the pressure at the inlet into the turbine blade ring is thus significantly lower than the pressure upstream of the guide vane ring or on the rear side of the turbine wheel back, so that the area between the outer diameter of the turbine blade ring and the outer diameter of the turbine wheel back has a significantly higher contribution to the axial force Direction of the front of the turbine or supplies in the direction of the turbine outlet.

Vorzugsweise ist der über den Turbinenschaufelring hinaus ragende Bereich des Turbinenradrückens profiliert, insbesondere spitz auslaufend ausgebildet. Der über den Turbinenschaufelring hinaus ragende Bereich des Turbinenradrückens ist hierbei als der Bereich zwischen dem Außendurchmesser des Turbinenschaufelrings und dem des Turbinenradrückens zu verstehen. Durch eine Profilierung, insbesondere durch eine spitz auslaufende Profilierung des Turbinenradrückens wird insbesondere die auf den Turbinenradrücken wirkende mechanische Last verringert.Preferably, the projecting beyond the turbine blade ring region of the turbine wheel back is profiled, in particular formed pointed tapering. The region of the turbine wheel back which projects beyond the turbine blade ring is to be understood here as the area between the outer diameter of the turbine blade ring and that of the turbine wheel back. By profiling, in particular by a pointed expiring profiling of the turbine wheel back, in particular the mechanical load acting on the turbine wheel back is reduced.

Vorteilhafterweise ist das Turbinenrad, insbesondere zum Einsatz des Turboladers in Brennstoffzellensystemen, aus einem Aluminiumwerkstoff gefertigt. Im Brennstoffzellensystem treten geringe Turbinenantriebstemperaturen auf, insbesondere kleiner 200°C, sodass Werkstoffe mit einer vergleichsweise geringen Dichte, wie insbesondere Aluminiumwerkstoffe, eingesetzt werden können. Die Vergrößerung des Turbinenradrückens führt somit nur zu einer geringen Anhebung des polaren Massenträgheitsmoments des Turbinenrads.Advantageously, the turbine wheel, in particular for use of the turbocharger in fuel cell systems, is made of an aluminum material. In the fuel cell system, low turbine drive temperatures occur, in particular less than 200 ° C., so that materials with a comparatively low density, in particular aluminum materials, can be used. The enlargement of the turbine wheel back thus only leads to a slight increase in the polar mass moment of inertia of the turbine wheel.

Vorteilhafterweise ist das Turbinenrad, insbesondere zum Einsatz des Turboladers als Abgasturbolader in einem Verbrennungsmotor, aus einem hochtemperaturfesten Werkstoff gefertigt. Als hochtemperaturfester Werkstoff kann beispielsweise Inconel 713 eingesetzt werden. Hochtemperaturfeste Werkstoffe haben jedoch eine höhere Dichte, weshalb das Turbinenrad in diesem Fall vorzugsweise mit einer sogenannten Scalloping-Kontur versehen ist.Advantageously, the turbine wheel, in particular for use of the turbocharger as an exhaust gas turbocharger in an internal combustion engine, is made of a high temperature resistant material. As a high-temperature resistant material, for example, Inconel 713 can be used. However, high temperature resistant materials have a higher density, which is why the turbine wheel is preferably provided in this case with a so-called scalloping contour.

Im Folgenden soll die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert werden. Dazu zeigenIn the following, the invention will be explained in more detail with reference to the drawing. Show this

1A und 1B einen herkömmlichen Turbolader, 1A and 1B a conventional turbocharger,

2 eine vorteilhafte Radialturbine in einer vereinfachten Darstellung, 2 an advantageous radial turbine in a simplified representation,

3 eine vereinfacht dargestellte Druckverteilung an der Radialturbine, 3 a simplified pressure distribution on the radial turbine,

4 eine weitere Ausführungsform der vorteilhaften Radialturbine in einer vereinfachten Darstellung und 4 a further embodiment of the advantageous radial turbine in a simplified representation and

5 eine weitere Ausführungsform der vorteilhaften Radialturbine in einer vereinfachten Darstellung. 5 a further embodiment of the advantageous radial turbine in a simplified representation.

1A und 1B zeigen jeweils in einer vereinfachten Längsschnittdarstellung einen Turbolader 1, der einen Radialverdichter 2 (1A) sowie eine Radialturbine 3 (1B) umfasst. Der Radialverdichter 2 weist ein Gehäuse 4 auf, in welchem ein Verdichterrad 5 angeordnet ist. Das Verdichterrad 5 ist drehfest auf einer Welle 6 angeordnet, die sich durch das Gehäuse 4 des Radialverdichters 2 erstreckt. Der Radialverdichter 2 weist einen axialen Radialverdichtereinlass 7 auf, durch welchen zu komprimierendes Medium, insbesondere zu komprimierende Luft einströmen kann. Wie üblich ist ein radialer Radialverdichterausgang vorgesehen, der in 1A jedoch aufgrund der gewählten Schnittebene nicht zu sehen ist. Das Medium strömt axial in das Verdichterrad 5 ein und verlässt dieses radial, wie durch Pfeile 8 angedeutet. Im Radialverdichtereinlass 7 herrscht ein erster Druck p1 vor. Im Auslass des Radialverdichters 2 herrscht ein entsprechend der Komprimierungseigenschaften des Verdichterrads 5 höherer Druck p2 vor. Das Verdichterrad 5 weist einen hier nur angedeuteten Verdichterschaufelring 9 auf, der an einem geschlossenen. Verdichterradrücken 10 angeordnet ist. Zwischen dem Gehäuse 4 und dem Verdichterradrücken 10 ist ein Druckraum 11 ausgebildet, der strömungstechnisch mit dem Radialverdichterauslass in Verbindung steht, sodass in dem Druckraum 11 ebenfalls der Druck p2 herrscht. 1A and 1B each show in a simplified longitudinal sectional view one turbocharger 1 , the one radial compressor 2 ( 1A ) as well as a radial turbine 3 ( 1B ). The centrifugal compressor 2 has a housing 4 in which a compressor wheel 5 is arranged. The compressor wheel 5 is rotatable on a shaft 6 arranged, extending through the housing 4 of the centrifugal compressor 2 extends. The centrifugal compressor 2 has an axial radial compressor inlet 7 on, through which medium to be compressed, in particular air to be compressed can flow. As usual, a radial centrifugal compressor outlet is provided which in 1A However, due to the selected cutting plane is not visible. The medium flows axially into the compressor wheel 5 one and leaves this radially, as by arrows 8th indicated. In the radial compressor inlet 7 a first pressure p 1 prevails. In the outlet of the centrifugal compressor 2 There is a corresponding to the compression properties of the compressor wheel 5 higher pressure p 2 before. The compressor wheel 5 has a compressor blade ring only indicated here 9 on, on a closed. Verdichterradrücken 10 is arranged. Between the case 4 and the compressor wheel back 10 is a pressure room 11 formed, which communicates fluidly with the radial compressor outlet, so that in the pressure chamber 11 also the pressure p 2 prevails.

Die Radialturbine 3 umfasst ein Gehäuse 12, in welchem ein Turbinenrad 13 drehbar gelagert angeordnet ist. Dazu ist das Turbinenrad 13 drehfest mit der Welle 6 verbunden. Das Turbinenrad 13 weist einen Turbinenschaufelring 14 mit mehreren über den Umfang des Turbinenrads 13 verteilt angeordneten Turbinenschaufeln auf. Der Turbinenschaufelring 14 ist an einem Turbinenradrücken 15 des Turbinenrads angeordnet und vorzugsweise einstückig damit ausgebildet. Die Radialturbine 3 weist einen radialen Radialturbineneinlass 16 sowie einen axialen Radialturbinenauslass 17 auf, sodass Medium radial ein- und axial ausströmt, wie durch Pfeile 18 angedeutet. Da auf der Vorderseite des Turbinenrads 13 der Turbinenschaufelring 14 angeordnet ist, ist die Rückseite 19 des Turbinenradrückens 15 flächig beziehungsweise scheibenförmig ausgebildet. Zwischen der Rückseite 19 und dem Gehäuse 12 ist auch hier analog zu dem Radialverdichter 2 ein Druckraum 20 gebildet, der strömungstechnisch mit dem Radialturbineneinlass 16 in Verbindung steht. In dem Radialturbineneinlass 16 herrscht ein Druck p3 vor, während am Radialturbinenausgang 17 ein zu dem Druck p3 ein verringerter Druck p4 entsprechend der Ausbildung und Dimensionierung der Turbinenschaufeln des Turbinenschaufelrings 14 entsteht. In dem Druckraum 20 herrscht aufgrund der strömungstechnischen Verbindung ebenfalls der Druck p3 vor.The radial turbine 3 includes a housing 12 in which a turbine wheel 13 is arranged rotatably mounted. This is the turbine wheel 13 rotatably with the shaft 6 connected. The turbine wheel 13 has a turbine blade ring 14 with several over the circumference of the turbine wheel 13 distributed turbine blades on. The turbine blade ring 14 is at a turbine wheel back 15 arranged the turbine wheel and preferably integrally formed therewith. The radial turbine 3 has a radial radial turbine inlet 16 and an axial radial turbine outlet 17 so that medium flows radially in and out axially, as indicated by arrows 18 indicated. As on the front of the turbine wheel 13 the turbine blade ring 14 is arranged, the back is 19 of the turbine wheel back 15 flat or disc-shaped. Between the back 19 and the housing 12 is also analogous to the radial compressor here 2 a pressure room 20 formed, which fluidly with the radial turbine inlet 16 communicates. In the radial turbine inlet 16 prevails a pressure p 3 , while at the radial turbine outlet 17 to the pressure p 3, a reduced pressure p 4 corresponding to the design and dimensioning of the turbine blades of the turbine blade ring 14 arises. In the pressure room 20 prevails due to the fluidic connection also the pressure p 3 before.

Aus Kosten- und Packagegründen entspricht der Außendurchmesser des Turbinenschaufelrings 14 üblicherweise dem Außendurchmesser des Turbinenradrückens 15, wie in 1B dargestellt. Der Durchmesser des Turbinenrads 13 ist insgesamt kleiner ausgebildet als der Durchmesser des Verdichterrads 5. Aufgrund der hieraus resultierenden Druckverhältnisse entstehen im Betrieb unterschiedliche auf die Welle 6 wirkende Axialkräfte, die von entsprechenden, hier nicht dargestellten Axiallagern des Turboladers 1 aufgenommen werden müssen. Aufgrund der Dimensionierung des Radialverdichters 2 und der Radialturbine 3 entstehen insbesondere hohe Axialkräfte in Richtung des Radialverdichters 2. Durch den in dem Druckraum 20 herrschenden Druck wird ein Axialschub in Richtung des Radialturbinenauslasses 17 erzeugt, der aber aufgrund des im Vergleich zum Verdichterrad kleineren Turbinenraddurchmessers (siehe oben) geringer ist als der auf der Verdichterseite erzeugte Axialschub. Die Gehäuse 4 und 12 können getrennt voneinander oder integriert miteinander ausgebildet sein, um beispielsweise ein gemeinsames Gehäuse des Turboladers 1 zu bilden.For cost and package reasons, the outer diameter of the turbine blade ring corresponds 14 usually the outside diameter of the turbine wheel back 15 , as in 1B shown. The diameter of the turbine wheel 13 is smaller overall than the diameter of the compressor wheel 5 , Due to the resulting pressure conditions arise in the operation different on the shaft 6 acting axial forces of the corresponding, not shown thrust bearings of the turbocharger 1 must be included. Due to the dimensions of the centrifugal compressor 2 and the radial turbine 3 arise in particular high axial forces in the direction of the centrifugal compressor 2 , Through the in the pressure room 20 prevailing pressure is an axial thrust in the direction of Radialturbinenauslasses 17 produced, but due to the smaller compared to the compressor wheel turbine diameter (see above) is less than the axial thrust generated on the compressor side. The housing 4 and 12 may be formed separately or integrated with each other, for example, a common housing of the turbocharger 1 to build.

2 zeigt eine vorteilhafte Weiterbildung des bekannten Turboladers 1 ebenfalls in einer vereinfachten Längsschnittdarstellung, wobei lediglich die Radialturbine 3 gezeigt ist. Aus den vorhergehenden Figuren beschriebene Elemente sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen, sodass insofern auf die oben stehende Beschreibung verwiesen wird. Im Folgenden soll im Wesentlichen lediglich auf die Unterschiede eingegangen werden. 2 shows an advantageous development of the known turbocharger 1 also in a simplified longitudinal sectional view, with only the radial turbine 3 is shown. Elements described in the preceding figures are provided with the same reference numerals, so that reference is made to the above description. In the following, essentially only the differences will be discussed.

Der Turbolader 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform weist Mittel zum Beschleunigen der Strömung in dem Radialturbineneinlass 16 auf. Vorliegend handelt es sich bei diesen Mitteln um einen verjüngten Durchmesser beziehungsweise um eine verkleinerte Durchströmungsfläche des Radialturbineneinlasses 16. Durch die Beschleunigung der Strömung wird der statische Druck abgesenkt. In dem Druckraum 20 stellt sich dabei ein im Vergleich zum Druck p3 größerer Druck p3 ein, der auf die Rückseite 19 des Turbinenrads 13 wirkt.The turbocharger 1 According to the present embodiment, means for accelerating the flow in the radial turbine inlet 16 on. In the present case, these means are a tapered diameter or a reduced throughflow area of the radial turbine inlet 16 , By accelerating the flow, the static pressure is lowered. In the pressure room 20 adjusts itself in comparison to the pressure p 3 p 3, a greater pressure acting on the back side 19 of the turbine wheel 13 acts.

Weiterhin ist das Turbinenrad 13 des Turboladers 1 derart ausgebildet, dass der Außendurchmesser 21 des Turbinenradrückens 15 größer ist als der Außendurchmesser 22 des Turbinenschaufelrings 14, sodass ein Bereich 23 des Turbinenradrückens 15 vorliegt, der über den Turbinenschaufelring 14 hinaus radial vorsteht.Furthermore, the turbine wheel 13 of the turbocharger 1 formed such that the outer diameter 21 of the turbine wheel back 15 larger than the outer diameter 22 of the turbine blade ring 14 so an area 23 of the turbine wheel back 15 present, via the turbine blade ring 14 protrudes radially.

Insgesamt stellt sich hierdurch hinter dem Turbinenrad 13 beziehungsweise in dem Druckraum 20 ein erhöhter Druck ein, der eine Axialkraft in Richtung des Radialturbinenauslasses 17, wie durch einen Pfeil 24 angedeutet, bewirkt. Eine qualitative Darstellung der zu erwartenden Druckverteilung zeigt 3. Durch die Mittel zum Beschleunigen der Strömung wirkt auf die ursprüngliche Rückseite 19 des Turbinenrads 13 ein höherer Druck p3', der den Axialschub beziehungsweise die Axialkräfte hin zum Radialturbinenauslass 17 erhöht. Auf den Bereich 23 zwischen der ursprünglichen Rückseite und der vorteilhaft vergrößerten Rückseite 19 wirkt ebenfalls der höhere Druck p3', welcher teilweise durch den Druck auf der Vorderseite des Turbinenrads 13 kompensiert wird, trotzdem aber zur Erhöhung der Axialkraft in Richtung des Pfeils 24 beiträgt. Dadurch werden die Axialkräfte, die auf die Welle 6 wirken, insgesamt verringert und bei gegebener Wahl der Außendurchmesser von Turbinenradrücken 15 und Turbinenschaufelring 14 kompensiert.Overall, this is behind the turbine wheel 13 or in the pressure room 20 an increased pressure, which is an axial force in the direction of Radialturbinenauslasses 17 as if by an arrow 24 indicated, causes. A qualitative representation of the expected pressure distribution shows 3 , By the means for accelerating the flow acts on the original back 19 of the turbine wheel 13 a higher pressure p 3 ', the axial thrust or the axial forces towards the Radialturbinenauslass 17 elevated. On the area 23 between the original back and the favorably enlarged back 19 also acts the higher pressure p 3 ', which in part by the pressure on the front of the turbine wheel 13 is compensated, but nevertheless to increase the axial force in the direction of the arrow 24 contributes. This will cause the axial forces acting on the shaft 6 act, overall reduced and given a choice of the outer diameter of Turbinenradrücken 15 and turbine blade ring 14 compensated.

Sinnvoll ist eine solche Erweiterung des Turbinenradrückens 15 vor allem bei Turboladern, die in Brennstoffzellensystemen eingesetzt werden, da hier nur geringe Turbineneintrittstemperaturen realisiert werden und somit vorzugsweise Aluminiumwerkstoffe, die eine vergleichsweise geringe Dichte aufweisen, eingesetzt werden können. Die Vergrößerung des Turbinenradrückens 15 führt dabei zu einer geringen Anhebung des polaren Massenträgheitsmoments des Turbinenrads 13. Bei konventionellen Turboladern, die als Abgasturbolader in Verbrennungsmotoren eingesetzt werden, sind die Turbineneintrittstemperaturen wesentlich höher, sodass hoch temperaturfeste Werkstoffe, wie zum Beispiel Inconel 713, eingesetzt werden. In diesem Fall werden das Turbinenrad beziehungsweise der Turbinenschaufelring 14 und dessen Turbinenschaufeln bevorzugt mit sogenannten Scalloping-Konturen versehen.It makes sense to have such an extension of the turbine wheel back 15 especially in turbochargers, which are used in fuel cell systems, since only low turbine inlet temperatures are realized and thus preferably aluminum materials, which have a relatively low density, can be used. The enlargement of the turbine wheel back 15 leads to a slight increase in the polar mass moment of inertia of the turbine wheel 13 , In conventional turbochargers, which are used as exhaust gas turbochargers in internal combustion engines, the turbine inlet temperatures are much higher, so high temperature resistant materials, such as Inconel 713 , are used. In this case, the turbine wheel or the turbine blade ring 14 and its turbine blades preferably provided with so-called scalloping contours.

Eine weitere Ausführungsform des vorteilhaften Turboladers ist in 4 dargestellt. Diese Ausführungsform unterscheidet sich von der vorhergehenden Ausführungsform lediglich dahingehend, dass der Turbinenradrücken 15 radial spitz ausläuft, also eine Profilierung im Bereich 23 aufweist. In der vorliegenden Ausführungsform verläuft die Vorderseite des Turbinenradrückens 15 derart, dass sie in den Radialturbineneinlass 16 bündig übergeht, während die Rückseite 19 im Bereich 23 in Richtung zu der Vorderseite geneigt ist, um am Außendurchmesser 21 eine Spitze des Turbinenradrückens 15 zu bilden. Dadurch wird vorzugsweise auch der Druckraum 20 im Bereich des Bereichs 23 vergrößert. Durch die Profilierung des Turbinenrads 13 wird insbesondere die auf den Turbinenradrücken 15 wirkende mechanische Last im Betrieb verringert.Another embodiment of the advantageous turbocharger is in 4 shown. This embodiment differs from the previous embodiment only in that the turbine wheel back 15 radially pointed, so profiling in the area 23 having. In the present embodiment, the front of the turbine wheel back extends 15 such that they enter the radial turbine inlet 16 flush goes over while the back 19 in the area 23 is inclined towards the front to the outside diameter 21 a tip of the turbine wheel back 15 to build. As a result, preferably also the pressure chamber 20 in the area of the area 23 increased. By profiling the turbine wheel 13 especially on the turbine wheel back 15 reduced mechanical load during operation.

5 zeigt eine weitere vorteilhafte Ausführungsform des Turboladers 1, die sich von der Ausführungsform gemäß 2 dahingehend unterscheidet, dass die Radialturbine 3 mit einer variablen Turbinengeometrie oder mit einem festen Leitapparat versehen ist. Die Variable Turbinengeometrie wird durch einen variablen beziehungsweise verstellbaren Leitschaufelring 25 gebildet, der eine Vielzahl von in ihrem Einstellwinkel veränderbaren Leitschaufeln umfasst, die auf einem Radius um die Drehachse der Welle 6 liegen. Der variable Leitschaufelring 25 ist dabei derart ausgebildet beziehungsweise angeordnet, dass die Leitschaufeln auf Höhe des Bereichs 23 des Turbinenrads 13 liegen. Mit anderen Worten liegt der Leitschaufelring 25 radial in dem Bereich 23 des Turbinenradrückens 15 konzentrisch zu dem Turbinenschaufelring 14. Bei dem festen Leitapparat ist der Leitschaufelring fest, also mit unverstellbaren Leitschaufeln ausgebildet. Der Leitschaufelring 25 ist zweckmäßigerweise auf der Vorderseite des Turbinenrads 13 derart angeordnet, dass die Leitschaufeln in dem Radialturbineneinlass 16 liegen. Über den Leitschaufelring 25 findet im Betrieb ein Druckabfall zugunsten einer erhöhten Geschwindigkeit der Strömung statt. Der Druck p3'' am Eintritt in das Turbinenrad 13 beziehungsweise in dem Turbinenschaufelring 14 ist somit deutlich geringer als der Druck p3' vor dem Leitschaufelring 25 beziehungsweise in dem Druckraum 20, sodass der Bereich 23 zwischen dem Turbinenschaufelring 14 und dem Außendurchmesser 21 des Turbinenradrückens 15 einen deutlich höheren Beitrag zur Axialkraft in Richtung des Pfeils 24 bewirkt, wodurch die wirkenden Axialkräfte des Turboladers 1 besonders effizient ausgeglichen oder zumindest teilweise ausgeglichen werden. 5 shows a further advantageous embodiment of the turbocharger 1 that differs from the embodiment according to 2 to that distinction that the radial turbine 3 is provided with a variable turbine geometry or with a fixed nozzle. The variable turbine geometry is provided by a variable or adjustable vane ring 25 formed comprising a plurality of variable in their setting angle vanes, which is at a radius about the axis of rotation of the shaft 6 lie. The variable vane ring 25 is designed or arranged such that the guide vanes at the height of the area 23 of the turbine wheel 13 lie. In other words, the vane ring is located 25 radially in the area 23 of the turbine wheel back 15 concentric with the turbine blade ring 14 , In the case of the fixed distributor, the stator blade ring is fixed, that is to say designed with adjustable guide vanes. The vane ring 25 is expediently on the front of the turbine wheel 13 arranged such that the guide vanes in the radial turbine inlet 16 lie. About the vane ring 25 During operation, a pressure drop takes place in favor of an increased flow velocity. The pressure p 3 '' at the entrance to the turbine wheel 13 or in the turbine blade ring 14 is thus significantly lower than the pressure p 3 'in front of the guide vane ring 25 or in the pressure room 20 so the area 23 between the turbine blade ring 14 and the outside diameter 21 of the turbine wheel back 15 a significantly higher contribution to the axial force in the direction of the arrow 24 causes, whereby the acting axial forces of the turbocharger 1 be particularly efficiently balanced or at least partially offset.

Claims (9)

Turbolader (1), insbesondere für Kraftfahrzeuge, mit einem Radialverdichter (2) und einer Radialturbine (3), wobei ein einen an einem geschlossenen Verdichterradrücken (10) angeordneten Verdichterschaufelring (9) aufweisendes Verdichterrad (5) des Radialverdichters (2) und ein einen an einem geschlossenen Turbinenradrücken (15) angeordneten Turbinenschaufelring (14) aufweisendes Turbinenrad (13) der Radialturbine (3) auf einer gemeinsamen Welle (6) drehfest angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass zum zumindest teilweisen Kompensieren von im Betrieb auftretenden Axialkräften der Außendurchmesser (21) des Turbinenradrückens (15) größer als der Außendurchmesser (22) des Turbinenschaufelrings (14) ausgebildet ist.Turbocharger ( 1 ), in particular for motor vehicles, with a centrifugal compressor ( 2 ) and a radial turbine ( 3 ), with one on a closed Verdichterradrücken ( 10 ) arranged compressor blade ring ( 9 ) having compressor wheel ( 5 ) of the radial compressor ( 2 ) and one on a closed turbine back ( 15 ) arranged turbine blade ring ( 14 ) having turbine wheel ( 13 ) of the radial turbine ( 3 ) on a common wave ( 6 ) are arranged rotationally fixed, characterized in that for the at least partial compensation of axial forces occurring during operation of the outer diameter ( 21 ) of the turbine wheel back ( 15 ) larger than the outer diameter ( 22 ) of the turbine blade ring ( 14 ) is trained. Turbolader nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Außendurchmesser des Verdichterschaufelrings (9) größer als der des Turbinenschaufelrings (14) ausgebildet ist.Turbocharger according to claim 1, characterized in that the outer diameter of the compressor blade ring ( 9 ) larger than that of the turbine blade ring ( 14 ) is trained. Turbolader nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Radialturbine (3) in ihrem Radialturbineneinlass (16) Mittel zum Beschleunigen der Strömung aufweist.Turbocharger according to one of the preceding claims, characterized in that the radial turbine ( 3 ) in its radial turbine inlet ( 16 ) Has means for accelerating the flow. Turbolader nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Radialturbine (3) ein das Turbinenrad (16) aufnehmendes Gehäuse (12) aufweist, das einen Druckraum (20) zwischen sich und dem Turbinenradrücken (15) bildet, der strömungstechnisch mit dem Radialturbineneinlass (16) in Verbindung steht.Turbocharger according to one of the preceding claims, characterized in that the radial turbine ( 3 ) a turbine wheel ( 16 ) receiving housing ( 12 ), which has a pressure chamber ( 20 ) between itself and the turbine wheel back ( 15 ) forms the fluidic with the radial turbine inlet ( 16 ). Turbolader nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Radialturbine (3) einen variablen oder festen Leitschaufelring (25) aufweist.Turbocharger according to one of the preceding claims, characterized in that the radial turbine ( 3 ) a variable or fixed vane ring ( 25 ) having. Turbolader nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Leitschaufelring (25) in dem Bereich (23) des Turbinenradrückens (15) liegt, der über den Turbinenschaufelring (14) hinausragt.Turbocharger according to one of the preceding claims, characterized in that the guide vane ring ( 25 ) in that area ( 23 ) of the turbine wheel back ( 15 ) located above the turbine blade ring ( 14 protrudes). Turbolader nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der über den Turbinenschaufelring (14) hinausragende Bereich (23) des Turbinenradrückens (15) profiliert, insbesondere spitz auslaufend ausgebildet ist.Turbocharger according to one of the preceding claims, characterized in that the turbine blade ring ( 14 ) projecting area ( 23 ) of the turbine wheel back ( 15 ) profiled, in particular pointed out spiky. Turbolader nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Turbinenrad (13), insbesondere zum Einsatz in Brennstoffzellensystemen, aus einem Aluminiumwerkstoff gefertigt ist.Turbocharger according to one of the preceding claims, characterized in that the turbine wheel ( 13 ), in particular for use in fuel cell systems, is made of an aluminum material. Turbolader nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Turbinenrad (13), insbesondere zum Einsatz in einem Verbrennungsmotor, aus einem hoch temperaturfesten Werkstoff gefertigt ist.Turbocharger according to one of the preceding claims, characterized in that the turbine wheel ( 13 ), in particular for use in an internal combustion engine, is made of a high temperature resistant material.
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