-
Technisches Gebiet
-
Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der mit Abgasen von Brennkraftmaschinen beaufschlagten Turbolader.
-
Sie betrifft einen Abgasturbolader mit einer Gaslagerung.
-
Stand der Technik
-
Turbolader werden zur Leistungssteigerung von Hubkolbenmotoren eingesetzt. Diese Turbolader verwenden eine Turbine welche über eine Welle ein Verdichterrad antreibt. Bei herkömmlichen Abgasturboladern wird der Rotor, umfassend die Welle, die beiden Laufräder sowie weitere, für die Lagerung verwendete Bauelemente, meistens mit einer Gleitlagerung bestehend aus einem Axial- und zwei Radiallagern gelagert, welche sich zwischen der Turbine und dem Verdichterrad befindet. Diese Gleitlagerung ist in einem Lagergehäuse untergebracht welches über entsprechende Schmieröl-Zu- und Abfluss-Anschlüssen verfügt. Die Lagerstellen sind Richtung Verdichter und Turbine mit aufwändigen Abdichtungen versehen um Leckage zu vermeiden bzw. zu minimieren.
-
Damit sich die Reibungsverluste der Gleitlager in Grenzen halten, müssen die Wellendurchmesser möglichst klein ausgeführt werden. Um die erforderliche Stabilität zu gewährleisten muss ein genügend grosser Abstand der beiden Radiallager sichergestellt werden. Diese bekannte Lageranordnung mit den erforderlichen Dichtstellen gegenüber den Strömungskanälen mit den Arbeitsfluiden erfordert axial relativ grossen Bauraum. Zudem muss infolge der Ölschmierung der Lager immer wieder mit Verschmutzung bzw. Leckage gerechnet werden.
-
Erste Untersuchungen haben gezeigt, dass sich für Abgasturbolader auch ölfreie Lagerungen eignen könnten. Allerdings zeigte sich bislang die sich im Betrieb laufend ändernde thermische Belastung als grosse Herausforderung für die Umsetzung von ölfreien gasstatischen oder gasdynamischen Lagern bei Abgasturboladern.
-
In „Oil-Free Turbocharger Demonstration Paves Way to Gas Turbine Engine Application", MiTi Developments, Vol. 6, Mohawk Innovative Technology inc., Frühling 1999 ist eine Testanordnung eines Abgasturboladers mit einer ölfreien Lagerung mittels eines gasdynamischen Folienlagers beschrieben.
-
In „Foil Air/Gas Bearing Technology ~ an overview", ASME Publication 97-GT-347, Giri L. Agrawal, Juni 1997 ist die Technologie der dynamischen Gaslager detailliert erläutert und die Anwendung anhand von in Flugzeugen eingesetzten Air Cycle Machines (ACM) beschrieben. Dabei wird insbesondere auf Seite 3 das grundsätzliche Prinzip der Luft/ Gaslagerung anhand von anschaulichen Figuren erklärt.
-
EP 0 221 352 A1 zeigt ein Gasstatisches Lager mit unterteilten Lagerflächen.
-
DE 31 43 606 A2 zeigt eine Gaslagerung relativ zueinander sich bewegender Bauteile mit direkt auf die Welle wirkenden Lagerringen aus porösem Material.
-
-
Kurze Darstellung der Erfindung
-
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine über eine lange Betriebszeit zuverlässig funktionierende, kompakte, reibungsarme und verschmutzungsfreie Lagerung eines Turboladers zu schaffen.
-
Die Gaslagerung wird zwischen der Turbine und dem Verdichterrad angeordnet und ist bei einem gefügten Rotor vorzugsweise im radial inneren Bereich angeordnet.
-
Bei einer Ausführungsvariante wird die Gaslagerung mittels zweier Lagerringen welche je min. eine axiale und eine radiale Lagerfläche aufweisen, realisiert. Diese Lagerflächen korrespondieren mit den entsprechenden axialen und radialen Laufflächen des Lagerkamms welcher zwischen Verdichter und Turbine geklemmt bzw. einteilig mit dem Rotor, dem Verdichter und/oder der Turbine verbunden ist. Die beiden Lagerringe können aus einem porösen Material (z.B. Sintergraphit) oder aber konventionell mit Kammern und feinen Düsen gefertigt sein. Die Versorgung mit Gas – in der Regel Druckluft, beispielsweise der Strömung am Verdichteraustritt entnommen, gekühlt und entfeuchtet – erfolgt über eine Gaszuführbohrung sowie Verteilkanal und Ringnuten welche im Lagergehäuse angeordnet sind. Besonders vorteilhaft bei dieser Gaslagerung ist die Tatsache, dass die Abluft der Lagerung als Sperrluft für das Abgas sowie für das verdichtete Medium dient. Diese Leckage-Strömung ist sogar erwünscht und verursacht keine Verunreinigungen.
-
Der Lagerkamm weist erfindungsgemäss eine Form auf, welche der bestmöglichen Hitzeabschirmung des eigentlichen Lagerbereichs von den Heissbereichen des Abgasturboladers dient. Einerseits weisen die im Lagerkamm ausgebildeten Lagerlaufflächen einen radialen Abstand zu den angrenzenden Radnaben auf, sowohl verdicher- wie auch turbinenseitig. Andererseits erstreckt sich zwischen den die Lagerlaufflächen tragenden Bereichen der rotierenden Lagerflächen und den nächstliegenden Radnaben immer ein Luftspalt, welcher einen unmittelbaren Wärmeübertrag verhindert, insbesondere dann, wenn der Luftspalt, wie in der Ausführungsform nach 4, von dem in die Lagerspalte eingeführten Gas durchströmt wird, wobei hierfür spezielle Bohrungen 45 in den Lagerkamm eingelassen sind, welche das Gas aus dem Lagerspalt abführen.
-
Weitere Vorteile ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen oder sind der detaillierten Beschreibung der Ausführungsbeispiele zu entnehmen.
-
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
-
Nachfolgend werden verschiedene Ausführungsformen der Erfindung anhand von Zeichnungen detailliert erläutert. Hierbei zeigt
-
1 einen entlang der Achse geführten Schnitt durch einen Abgasturbolader mit einer ersten, erfindungsgemässen Ausführungsform einer Gaslageranordnung mit feinporigen Lagerkörpern und einem symmetrisch ausgebildeten Lagerkamm,
-
2 einen vergrössert dargestellten Ausschnitt der erfindungsgemässen Gaslageranordnung nach 1,
-
3 eine Variation der Gaslageranordnung nach 1 mit einer alternativen Lagergehäuseausführung,
-
4 eine weitere Variation der Gaslageranordnung nach 1 mit einem asymmetrisch ausgebildeten Lagerkamm,
-
5 eine zweite, erfindungsgemässe Ausführungsform einer Gaslageranordnung mit Lagerkörpern mit feinen Düsen und einem im Lagerbereich symmetrisch ausgebildeten Lagerkamm, und
-
6 eine Variation der Gaslageranordnung nach 5 mit einem asymmetrisch ausgebildeten Lagerkamm.
-
Weg zur Ausführung der Erfindung
-
1, welche vergrössert in 2 und geringfügig angepasst in 3 nochmals wiederholt ist, zeigt einen Abgasturbolader mit einer Abgasturbine und einem Verdichter. Die rotierende Einheit (Rotor) des Abgasturboladers umfasst im wesentlichen das Turbinenrad 2 und das Verdichterrad 1, sowie allfällig dazwischen angeordnet und die beiden Räder verbindende Wellenelemente sowie für die Lagerung benötigte Lagerteile. Das Turbinenrad 2 ist in einem Turbinengehäuse 25 angeordnet und umfasst eine Nabe 21 sowie mehrere Laufschaufeln 22. Das Verdichterrad 1 ist im Verdichtergehäuse 15 angeordnet und umfasst ebenfalls eine Nabe 11 sowie mehrere Laufschaufeln 12. Zwischen Turbinengehäuse und Verdichtergehäuse erstreckt sich das Lagergehäuse 3, in welchem die erfindungsgemässe, ölfreie Lagerung angeordnet ist. Im Vergleich mit Abgasturboladern, welche mit herkömmlichen Lagern ausgestatteten sind, ist das Lagergehäuse des abgebildeten Abgasturboladers in axialer Richtung relativ kurz ausgebildet.
-
Wesentliches Bestandteil der ölfreien Lagerung ist ein mit dem Rotor mitrotierender Lagerkamm 4, welcher in der dargestellten Ausführungsform zwischen Turbinenrad 2 und Verdichterrad 1 festgeklemmt ist. Alternativ kann der Lagerkamm einstückig mit dem Verdichterrad, einstückig mit dem Turbinenrad, oder einstückig mit einer zwischen Verdichterrad und Turbinenrad angeordneten Welle ausgebildet sein. Die Verbindung zwischen Turbinenrad und Verdichterrad kann auf unterschiedliche Arten realisiert sein. In der dargestellten Ausführungsform ist ein fest mit der Turbinennabe 21 verbundener Schaft 23 in einer Zentralbohrung der Verdichterradnabe 11 festgeschraubt. Nicht dargestellt sind Ausführungsformen, bei denen der Lagerkamm als verbindendes Element zwischen den beiden Radnaben angeordnet ist, und beispielsweise auf der einen Seite eine Zentralbohrung zur Aufnahme eines an einer Nabe befestigten Schafts und auf der anderen Seite einen ebensolchen Schaft zur Befestigung in einer Zentralbohrung in der anderen Nabe oder etwa ein Lagerkamm mit zwei Zentralbohrungen oder mit beidseitig befestigten Schaft zur Befestigung in entsprechenden Zentralbohrungen in beiden Naben.
-
Der Lagerkamm 4 weist drei Bereiche auf. In einem radial innenliegenden Kontaktbereich 41 ist der Lagerkamm 4 mit den übrigen rotierenden Teilen verbunden. Ein oder mehrere Radiallager 42 dienen der radialen Lagerung des Rotors des Abgasturboladers. In der dargestellten Ausführungsform sind zwei Radiallager-Laufflächen (zylindrische Oberflächen), eine verdichterseitige Radiallager-Lauffläche 421 und eine turbinenseitige Radiallager-Lauffläche 422, vorgesehen, welche in axialer Richtung voneinander beabstandet angeordnet sind. Der dritte Bereich ist das Axiallager 43, welches im Falle eines Abgasturboladers in der Regel zwei in axiale Richtung ungleich stark belastete Lagerlaufflächen umfasst, die Axiallager-Lauffläche 431 für Belastungen in Richtung Verdichterseite und die Hilfslager-Lauffläche 432 für Belastung in Richtung Turbinenseite. Ein entsprechend asymmetrisch ausgebildetes Axial- und Hilfslager sind in 4 und 6 angedeutet.
-
Der Lagerkamm 4 ist im Bereich der beiden erwähnten Radial- und Axiallager-Laufflächen gegenüber dem Lagergehäuse 3 bzw. dem Befestigungsring 31 durch feststehende, mit dem Lagergehäuse 3 verbundene Lagerringe 5 begrenzt. Zwischen den Lagerringen 5 und den rotierenden Lager-Laufflächen erstreckt sich ein Spalt, in welchen im Falle eines gasstatischen Lagers das für die Tragfähigkeit des Lagers verantwortliche Gasvolumen eingebracht wird. Die Einspeisung des Gases in den Spalt erfolgt beispielsweise, wie in der Ausführungsformen der 1 bis 4 dargestellt, durch porös ausgebildete Lagerringe, beispielsweise aus Sintergraphit, oder über feine Düsen, wie in den Ausführungsformen der 5 und 6 dargestellt. Weitere Möglichkeiten, einen tragfähigen Gasdruck aufzubauen bieten sogenannte gasdynamische Lager, wie sie etwa mittels entlang dem Umfang umlaufenden, mehrschichtigen Folien realisierbar sind, wobei sich aufgrund der Rotation der zu lagernden Teile im Spalt zwischen den Folienlagen ein Gaspolster aufbaut.
-
In der Ausführungsform nach 1 und 2 wird das zur Lagerung der rotierenden Teile verwendete Gas unter erhöhtem Druck über eine Zuleitung 61 in den radial inneren Teil des Lagergehäuses 3 geführt. Im Innern des Lagergehäuses wird das Gas entlang dem Umfang verteilt, beispielsweise mittels ringförmigen Leitungen 62. Durch diese Ringleitungen wird das Gas in die ringförmigen Lagerringe 5 geleitet, um dann von dort durch die feinen Poren in den Spalt zu den rotierenden Lagerflächen zu strömen. Um die Lagerringe 50 in das Lagergehäuse einsetzen zu können, ist auf der Turbinenseite ein Befestigungsring 31 vorgesehen, der wie eine Abdeckplatte in axialer Richtung auf das Lagergehäuse aufgesetzt und mittels Befestigungsmittel 35 am Lagergehäuse befestigt wird. Der Befestigungsring 31 dient optional als Hitzeschild, welches den Lagerbereich zur heissen Turbinenseite hin abschirmt. In der Variante nach 3 ist das Lagergehäuse 3 zweiteilig ausgebildet, beziehungsweise der Befestigungsring 31 ist in etwa gleich gross dimensioniert wie der übrige Teil des Lagergehäuses. Wiederum werden durch die Befestigung des Befestigungsrings 31 am Lagergehäuse 3 die Lagerringe 5 samt dazwischenliegendem Axiallager 43 des Lagerkamms 4 in axiale Richtung zusammengehalten, wobei zwischen den Lagerringen 5 und dem rotierenden Axiallagerbereich des Lagerkamms ausreichend Spiel zur Ausbildung des tragfähigen Lagerspalts vorgesehen ist.
-
In Nuten oder Ausnehmungen entlang der Lagerringe 50 können optional zusätzliche, temperaturbeständige Elastomer-Dämpfungsringe 53 eingesetzt werden.
-
Der Lagerkamm weist erfindungsgemäss eine Form auf, welche der bestmöglichen Hitzeabschirmung des eigentlichen Lagerbereichs von den Heissbereichen des Abgasturboladers dient. Einerseits weisen die im Lagerkamm ausgebildeten Lagerlaufflächen einen radialen Abstand zu den angrenzenden Radnaben auf, sowohl verdicher- wie auch turbinenseitig. Andererseits erstreckt sich zwischen den die Lagerlaufflächen tragenden Bereichen der rotierenden Lagerflächen und den nächstliegenden Radnaben immer ein Luftspalt, welcher einen unmittelbaren Wärmeübertrag verhindert, insbesondere dann, wenn der Luftspalt, wie in der Ausführungsform nach 4, von dem in die Lagerspalte eingeführten Gas durchströmt wird, wobei hierfür spezielle Bohrungen 45 in den Lagerkamm eingelassen sind, welche das Gas aus dem Lagerspalt abführen.
-
Der Luftspalt ist in den Ausführungsformen gemäss den 1 bis 4 jeweils zwischen dem Lagerkamm und den angrenzenden Radnaben ausgebildet. In der Ausführungsform der 5 ist jeweils ein Spalt in Form eines umlaufenden, nutförmigen Einschnitts im Nabenrücken der beiden Räder ausgebildet. Dieser Einschnitt führt dazu, dass die Wärmeausbreitung im Material bis zum Erreichen der Lager-Laufflächen 14 bzw. 24 einen erheblichen Umweg machen muss, und dass die Wärmeübertragung durch die Luft durch die Beabstandung sowie eine allfällige Durchströmung mit dem zur Lagerung verwendeten Gases und/ oder durch ein zusätzliches, in den Einschnitt hineinragendes Hitzeschild 32 gehemmt wird. Diese Hitzeschild kann optional aus einem thermisch isolierenden Material gefertigt sein oder eine Beschichtung aufweisen, die die Aufnahme der Wärme reduziert.
-
Die Ausführungsform nach 4 weist einen asymmetrisch ausgebildeten Lagerkamm 4 auf. Dabei sind einerseits die wirksamen Laufflächen des Axiallagers 431 und des Hilfslagers 432 unterschiedlich gross, andererseits ist die Lauffläche des turbinenseitigen Radiallagers 422 grösser als die entsprechende Lauffläche des verdichterseitigen Radiallagers 421 (sowohl in axialer Richtung länger und auf einem grösseren Radius). Die Lagerringe 5 sind beidseits, also zur Turbine und zum Verdichter hin, durch ein Gehäuseteil des Lagergehäuses zu den Laufrädern hin abgeschirmt, um die Wärmeübertragung durch die Luft zu hemmen. Diese Gehäusepartien können, wie oben bereits erwähnt, optional mit einer thermisch undurchlässigen Beschichtung versehen sein oder ein Material mit thermisch isolierenden Eigenschaften enthalten. Die asymmetrische Ausgestaltung des Lagerkamms 4 führt dazu, dass turbinenseitig im Rücken der heissen Radnabe ein grösserer Hohlraum entsteht, welcher zu einer verbesserten thermischen Isolation des Lagers führt. Wie bei den zuvor beschriebenen Ausführungsformen ist der Lagerkamm im Kontaktbereich 41 zwischen den beiden Laufrädern festgeklemmt. Die Verjüngung im Lagerkamm zwischen Kontaktbereich 41 und dem radial äusseren Lagerbereich und die damit verbundene vergrösserte Oberfläche des Lagerkamms vermindert ebenfalls den Wärmefluss aus dem Kontaktbereich 41 in den Lagerbereich.
-
In dieser Ausführungsform weist der Lagerkamm zusätzlich Bohrungen 45 auf, welche dazu vorgesehen sind, das für die Lagerung verwendete Gas, nachdem es seine Primäraufgabe im Lagerspalt erfüllt hat, als Kühlströmung durch die Spalte zwischen Lagergehäuse und – in dem dargestellten Fall – der Rückwand der Nabe des Turbinenrads 2 zu führen. Anschliessend wird diese Kühlströmung dem Arbeitsmedium – also auf der Turbinenseite dem Abgasstrom, und auf der Verdichterseite dem verdichteten Frischluftstrom – zugeführt. Diese Kühlströmung ist in der 4 mittels kleinen, schwarzen Pfeilen angedeutet. Die Bohrungen 45 – welche auch in den übrigen Ausführungsformen eingesetzt werden können – können das Gas aus den Lagerspalten zur Turbinenseite und/ oder zur Verdichterseite hin führen. Das mittels dieser Bohrungen 45 gezielt an einen bestimmte Stelle geleitete Gas trifft auf die übrige Gasströmung welche aus den Lagern austritt. Entgegen der herkömmlichen Öllagern, stellt diese Leckage-Strömung kein Problem dar, da das für die Gaslager verwendete Fluid in der Regel saubere, entfeuchtete Druckluft oder ein Luft-Gasgemisch ist, welches weder in der Abgasströmung noch in dem verdichteten Frischluftstrom zu einer Verunreinigung der Bauteile führt.
-
In den Ausführungsformen nach 5 und 6 ist anstelle eines oder mehreren Lagerrings aus porösem, gesintertem Material ein Lagerring 5 mit einem Hohlraum und vielen, feinen Düsen 56, durch welche das Gas für die Lagerung in den oder die Lagerspalte geführt wird. Der Lagerring kann dabei einstückig ausgebildet sein, oder wie in der dargestellten Ausführungsformen mit einem Grundring und einer Ringabdeckung 55. Die Verteilung des Gases entlang dem Umfang des Ringes kann beispielsweise mittels einer umlaufenden Ringleitung 62 erfolgen, welche durch eine oder einige wenige Zuleitungen 61 gespiesen wird, und an der wiederum mehrere, entlang dem Umfang verteilte Hohlräume 63 angeschlossen sind, von wo aus das Gas durch die Düsen 56 strömt.
-
In der dargestellten Ausführungsform weist das ölfreie Lager nur ein Radiallager 42 auf. Das Radiallager ist zwischen dem verdichterseitigen Hilfslager und dem turbinenseitigen Axiallager angeordnet. Um Kippbewegungen, welche allenfalls durch die fehlende zweite Radiallagerung entstehen könnten, entgegenzuwirken, sind die Axiallager auf einen grösseren Radius versetzt worden. Die rotierenden Laufflächen des Hilfslagers 14 und des Axiallagers 24 sind in dieser Ausführungsform in der Nabe des Verdichterrades bzw. des Turbinenrades integriert. Allerdings sind die Lager-Laufflächen zu den Heissbereichen der Radnaben 11 und insbesondere 22 hin durch einen Spalt in Form eines umlaufenden, nutförmigen Einschnitts im Nabenrücken getrennt. Dieser Einschnitt führt dazu, dass die Wärmeausbreitung im Material bis zum Erreichen der Lager-Laufflächen 14 bzw. 24 einen erheblichen Umweg machen muss, und dass die Wärmeübertragung durch die Luft durch die Beabstandung sowie eine allfällige Durchströmung mit dem zur Lagerung verwendeten Gases gehemmt wird. Zusätzlich kann, wie turbinenseitig dargestellt, durch ein zusätzliches, in den Einschnitt hineinragendes Hitzeschild 32 diese Hemmung der Wärmeübertragung weiter verstärkt werden.
-
Der Lagerkamm 4 ist im radial inneren Kontaktbereich 41 wiederum zwischen Verdichterrad und Turbinenrad festgeklemmt. Im Bereich der Lager sorgt der Lagerkamm für das notwendige Spiel zwischen den Laufflächen der axialen Lager und dem Lagerring.
-
In der Variante nach 6 ist die Lauffläche des Axiallagers 431 am Lagerkamm 4 angeordnet. Die Lauffläche des Hilfslagers 14 ist jedoch wiederum in der Nabe 11 des Verdichterrades ausgebildet und mit dem oben beschriebenen Einschnitt von der Nabenrückwand getrennt. Der Lagerkamm ist verdichterseitig in axialer Richtung an der Radnabe 11 des Verdichterrades 1 abgestützt. Turbinenseitig ist der eigentliche Lagerbereich durch einen tief in den Spalt zwischen Turbinenrad-Nabe 22 und Lagerkamm 4 hineinragenden Hitzeschild 32 von dem Wärmeeintrag über den Spalt geschützt. Wiederum ist zudem der Gasstrom des aus dem Lager austretenden Gases derart geführt, dass es zu einer zusätzlichen Kühlung in dem für die Wärmeübertragung kritischen Bereich kommt.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Verdichterrad
- 11
- Nabe des Verdichterrades
- 12
- Schaufeln des Verdichterrades
- 13
- Zentralbohrung
- 14
- Hilfslager-Lauffläche
- 15
- Verdichtergehäuse
- 2
- Turbinenrad
- 21
- Nabe des Turbinenrades
- 22
- Schaufeln des Turbinenrades
- 23
- Schaft
- 24
- Axiallager-Lauffläche
- 25
- Turbinengehäuse
- 3
- Lagergehäuse
- 31
- Befestigungsring
- 32
- Hitzeschild
- 35
- Befestigungsmittel
- 4
- Lagerkamm
- 41
- Kontaktbereich
- 42
- Radiallager
- 421
- Verdichterseitige Radiallager-Lauffläche
- 422
- Turbinenseitige Radiallager-Lauffläche
- 43
- Axiallager
- 431
- Axiallager-Lauffläche
- 432
- Hilfslager-Lauffläche
- 45
- Bohrungen
- 5
- Lagerring
- 53
- Dämpfungsringe
- 55
- Ringabdeckung
- 56
- Düsen
- 61
- Zuleitung
- 62
- Ringleitung
- 63
- Hohlraum
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- EP 0221352 A1 [0008]
- DE 3143606 A2 [0009]
- DE 102010006018 A1 [0010]
-
Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- „Oil-Free Turbocharger Demonstration Paves Way to Gas Turbine Engine Application“, MiTi Developments, Vol. 6, Mohawk Innovative Technology inc., Frühling 1999 [0006]
- „Foil Air/Gas Bearing Technology ~ an overview“, ASME Publication 97-GT-347, Giri L. Agrawal, Juni 1997 [0007]
